CN102255602A - 交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，包括下列步骤：得到三相相电压瞬时值；将三相相电压瞬时值变换为两相相电压的电压值；计算工频电网频率和电网电压矢量旋转方向；根据工频电网频率对变频器的输出频率进行校正；判断变频器的输出电压矢量旋转方向与电网电压矢量旋转方向是否一致，若是则进入下一步骤，否则停机报警；判断电网电压矢量角度与变频器输出电压矢量角度之差的绝对值是否小于设定阈值，若是则进行投切。本发明还涉及一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的系统。本发明将变频器的频率和相位调整到和工频近似相等后再进行投切，减少了切换过程冲击电流和速度变化，有益于对交流电动机的保护。

Description

交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法及系统

【技术领域】

本发明涉及交流电动机的控制，尤其涉及一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，还涉及一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的系统。

【背景技术】

目前，在很多工业领域，都需要工变频切换。典型应用如供水、扶梯等领域。变频器相当于软启动器，交流电动机的供电首先由变频器提供，需要切换时，将变频器加速/减速到工频频率，再将交流电动机的供电切换到由工频电网提供。

一种传统的切换方案不考虑工变频切换时相位、频率、幅值等因素，将交流电动机的供电由变频电源直接切换到工频电源。但这会造成交流电动机的冲击电流过大、速度冲击过大，这对电机寿命以及电机驱动的机械设备都有不利影响。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种交流电动机从变频器电源平滑切换到工频电源的方法。

一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，包括下列步骤：步骤A，检测工频电网的线电压，并相应得到三相相电压瞬时值；步骤B，根据Clarke变换将所述三相相电压瞬时值变换为两相相电压的电压值；步骤C，根据所述两相相电压的电压值计算得到当前时刻的电网电压矢量角度；步骤D，根据所述当前时刻的电网电压矢量角度和T时刻前的电网电压矢量角度计算工频电网频率和电网电压矢量旋转方向；步骤E，判断变频器的输出频率是否接近工频频率；具体是判断所述输出频率与工频频率之差的绝对值是否小于第一设定阈值，若是则进入下一步骤；步骤F，根据所述工频电网频率对所述变频器的输出频率进行校正；具体是设定偏置频率，将所述偏置频率与工频电网频率之和作为校正系统的给定，所述给定减去校正系统的反馈后通过比例积分调节器和限幅环节得到频率补偿量，所述频率补偿量与变频器给定投切频率之和作为所述反馈和校正后的变频器的输出频率；步骤G，待所述校正系统的给定与反馈的偏差小于第一偏差值后，判断变频器的输出电压矢量旋转方向与所述电网电压矢量旋转方向是否一致，若是则进入下一步骤，否则停机报警；步骤H，判断所述当前时刻的电网电压矢量角度与变频器输出电压矢量角度之差的绝对值是否小于第二设定阈值，若是则将交流电动机的供电从变频器电源切换到工频电源。

优选的，所述步骤D是根据当前时刻和T时刻前的电网电压矢量角度计算出T时间内电网电压矢量角度的变化量，进而算出电网电压矢量频率f，对f进行低通滤波得到工频电网频率Fb，并根据所述当前时刻和T时刻前的电网电压矢量角度推算出所述电网电压矢量旋转方向。

优选的，所述步骤D中对f进行低通滤波的公式为Fb＝a*Fb′+b*f其中a和b为权值系数。

优选的，a＝7/8，b＝1/8。

优选的，所述T为2毫秒。

优选的，所述第一设定阈值为5赫兹。

优选的，所述偏置频率为0.5赫兹。

优选的，所述第一偏差值设置为0.2赫兹。

优选的，所述第二设定阈值为1度。

一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的系统，包括：相电压获取模块，用于检测工频电网的线电压，并相应得到三相相电压瞬时值；Clarke变换模块，用于根据Clarke变换将所述三相相电压瞬时值变换为两相相电压的电压值；电网电压矢量角度计算模块，用于根据所述两相相电压的电压值计算得到当前时刻的电网电压矢量角度；电网频率及矢量旋转方向计算模块，用于根据所述当前时刻的电网电压矢量角度和T时刻前的电网电压矢量角度计算工频电网频率和电网电压矢量旋转方向；变频器输出频率监测模块，用于判断变频器的输出频率是否接近工频频率，具体是判断所述输出频率与工频频率之差的绝对值是否小于第一设定阈值；变频器输出频率校正模块，用于在所述变频器输出频率监测模块的判断结果为是时，根据所述工频电网频率对所述变频器的输出频率进行校正；具体是设定偏置频率，将所述偏置频率与变频器给定投切频率之和作为校正系统的给定，所述给定减去校正系统的反馈后通过比例积分调节器和限幅环节得到频率补偿量，所述频率补偿量与变频器给定投切频率之和作为所述反馈和校正后的变频器的输出频率；旋转方向判断模块，用于待所述校正系统的给定与反馈的偏差小于第一偏差值后，判断变频器的输出电压矢量旋转方向与所述电网电压矢量旋转方向是否一致，若不是则停机报警；变频器输出电压矢量角监测模块，用于在所述旋转方向判断模块的判断结果为是时，判断所述当前时刻的电网电压矢量角度与变频器输出电压矢量角度之差的绝对值是否小于第二设定阈值；投切模块，用于在所述变频器输出电压矢量角监测模块的判断结果为是时，将交流电动机的供电从变频器电源切换到工频电源。

上述交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法及系统，将变频器的频率和相位调整到和工频近似相等后再进行投切，减少了切换过程冲击电流和速度变化，有益于对交流电动机的保护。

【附图说明】

图1是一实施例中交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法的流程图；

图2是Clarke变换前后三相静止坐标系与两相静止坐标系的关系图；

图3是校正系统的框图；

图4是工变频切换前后交流电动机电流的波形图。

【具体实施方式】

为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其主要思想是将变频器的输出调整为尽量与工频电源相同，然后再将交流电动机的供电由变频器电源切换至工频电源。

图1是一实施例中交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法的流程图，包括下列步骤：

S110，检测工频电网的线电压，并相应得到三相相电压瞬时值。

在本实施例中，是通过变频器的线电压检测电路采集工频电网的线电压后进行降压，然后经调理电路送入数字信号处理器(DSP)的AD采样口，根据AD采样口电压和硬件电路偏移量得到线电压AD检测值，再通过线电压实际值和线电压AD检测值的对应关系得到线电压实际值，即当前时刻的线电压瞬时值。

得到线电压瞬时值后，根据线电压转化为三相相电压的公式，将线电压瞬时值转变为相电压瞬时值：

U_r＝(2U_rs+U_st)/3

U_s＝(U_st-U_rs)/3

U_t＝-(U_rs+2U_st)/3

其中U_r、U_s、U_t分别是r、s、t三相的电压，U_rs是r和s间的线电压，U_st是s和t之间的线电压。

S120，根据Clarke变换将三相相电压瞬时值变换为两相相电压的电压值。将三相静止坐标系相电压转变为两相静止坐标系相电压的Clarke坐标变换公式为：

U_sa＝U_r

$U_{\mathrm{sb}}=\frac{\sqrt{3}}{3}(U_s-U_t)$

其中U_sa、U_sb分别为两相静止坐标系下a轴、b轴的电压值。

S130，根据两相相电压的电压值计算得到当前时刻的电网电压矢量角度。通过反正切运算计算其合成电压矢量角度，计算公式为：

θ＝tan^-1(U_sb/U_sa)

其中θ为电网电压矢量U_θ与a轴的夹角(a与r重合)，参见图2。

S140，根据当前时刻的电网电压矢量角度和T时刻前的电网电压矢量角度计算工频电网频率和电网电压矢量旋转方向。根据当前时刻和T时刻前的电网电压矢量角度可以计算出T时间内电网电压矢量角度的变化量，进而算出电网电压矢量频率f：

f＝(θ-θ_Bak)/2πT

其中θ为当前时刻的电网电压矢量角度，θ_Bak为T时刻前的电网电压矢量角度(在T时刻前通过步骤S110至S130的方法得到并保存下来)。T是一个经验值，在本实施例中为2毫秒。

为了防止信号干扰，对f进行低通滤波得到工频电网频率Fb具体为对采样值(f)进行权值滤波，，滤波后的工频电网频率Fb由上一次滤波后的工频电网频率Fb′、电网电压矢量频率f以及它们各自的权值系数a、b决定：

Fb＝a*Fb′+b*f。

经过分析和实验，a＝7/8，b＝1/8时可以取得较好的滤波效果。

根据θ与θ_Bak的关系可以推算出电网电压矢量旋转方向U_θdir：

U_θdir＝0θ≥θ_Bak

U_θdir＝1θ＜θ_Bak

S150，判断变频器的输出频率是否接近工频频率。工频频率F在中国为50Hz。判断变频器的输出频率与工频频率F之差的绝对值是否小于第一设定阈值，若是，则进入步骤S160，否则继续等待直到差小于第一设定阈值。在一个实施例中，第一设定阈值为5Hz，即变频器的输出频率为50±5Hz时进入步骤S160。

S160，根据工频电网频率Fb对变频器的输出频率进行校正。首先设定一个偏置频率f_δ，将偏置频率f_δ与工频电网频率Fb之和作为校正系统的给定。校正系统的给定减去反馈后通过比例积分调节器(PI调节器)和限幅环节得到频率补偿量f_comp，频率补偿量f_comp与变频器给定投切频率f_inv之和作为和校正后的变频器的输出频率及校正系统的反馈。

图3是校正系统的框图。变频器给定投切频率f_inv一般设置为工频频率F，考虑到电网电压实际频率可能会在工频频率附近波动，造成投切频率(即变频器在投切时的输出频率)与电网电压实际频率有差别，如果差别较大会影响投切效果。为此采取以下措施，使得变频器的输出频率(变频器运行频率)自动跟踪电网电压实际频率。

通过变频器参数设置功能设定一偏置频率f_δ。f_δ与工频电网频率Fb之和作为校正系统300的给定，变频器的输出频率作为校正系统300的反馈。给定减去反馈(即加上负反馈)后通过比例积分调节器310、限幅环节320得到一个频率补偿量f_comp，限幅环节320的限制频率为±5Hz(即f_comp的绝对值小于或等于5Hz)。f_comp与变频器给定投切频率f_inv之和作为校正后的变频器的输出频率及校正系统的反馈。f_inv是一个设置的经验值，在本实施例中，f_inv设置为工频频率F。此处设置的偏置频率f_δ的作用是调节工频运行频率与变频运行频率频率差。偏置频率f_δ为1Hz时，电网电压矢量与变频器输出电压矢量最多1秒可以相位重合；偏置频率f_δ为0.1Hz时，电网电压矢量与变频器输出电压矢量最多10秒可以相位重合。考虑到切换快速性，在本实施例中，偏置频率f_δ设置为0.5Hz，至多2秒可以实现相位重合。

S170，待校正系统的给定(Fb+f_δ)与反馈(f_comp+f_inv)的偏差小于第一偏差值后，判断变频器的输出电压矢量旋转方向与电网电压矢量旋转方向是否一致，若是则进入步骤S180，否则停机报警。在本实施例中，第一偏差值设置为0.2Hz。变频器的输出电压矢量可以根据空间矢量脉宽调制(SVPWM)进行计算，得到变频器的输出电压矢量角度θ_inv和旋转方向U_dir。判断U_dir和电网电压矢量旋转方向U_θdir是否一致，不一致时停机报警，一致时进入步骤S180。

S180，判断当前时刻的电网电压矢量角度θ与变频器的输出电压矢量角度θ_inv之差的绝对值是否小于第二设定阈值，若是，则将交流电动机的供电从变频器电源切换到工频电源，否则继续等待。在本实施例中，第二设定阈值为1度。即θ与θ_inv的差距在1度以内时进行投切。

上述交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，利用变频器本身自带的输入线电压检测电路，通过变频器的软件方式实现变频向工频切换从硬件资源省掉了专用的相位检测装置，节省了成本。且将变频器的频率和相位调整到和工频近似相等后再进行投切，减少了切换过程冲击电流和速度变化，有益于对交流电动机的保护。图4是工变频切换前后交流电动机电流的波形图。且电机驱动的机械设备在投切时过渡更平滑。例如对于驱动电动扶梯的情况，投切时运行平稳、无冲击、具有良好的乘坐舒适感。

本发明还提供一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的系统，包括：

相电压获取模块，用于检测工频电网的线电压，并相应得到三相相电压瞬时值。

Clarke变换模块，用于根据Clarke变换将三相相电压瞬时值变换为两相相电压的电压值。

电网电压矢量角度计算模块，用于根据两相相电压的电压值计算得到当前时刻的电网电压矢量角度。

电网频率及矢量旋转方向计算模块，用于根据当前时刻的电网电压矢量角度和T时刻前的电网电压矢量角度计算工频电网频率和电网电压矢量旋转方向。

变频器输出频率监测模块，用于判断变频器的输出频率是否接近工频频率，具体是判断输出频率与工频频率之差的绝对值是否小于第一设定阈值。

变频器输出频率校正模块，用于在变频器输出频率监测模块的判断结果为是时，根据工频电网频率对变频器的输出频率进行校正；具体是设定偏置频率，将偏置频率与变频器给定投切频率之和作为校正系统的给定，给定减去校正系统的反馈后通过比例积分调节器和限幅环节得到频率补偿量，频率补偿量与工频电网频率之和作为反馈和校正后的变频器的输出频率。

旋转方向判断模块，用于待校正系统的给定与反馈的偏差小于第一偏差值后，判断变频器的输出电压矢量旋转方向与电网电压矢量旋转方向是否一致，若不是则停机报警。

变频器输出电压矢量角监测模块，用于在旋转方向判断模块的判断结果为是时，判断当前时刻的电网电压矢量角度与变频器输出电压矢量角度之差的绝对值是否小于第二设定阈值。

投切模块，用于在变频器输出电压矢量角监测模块的判断结果为是时，将交流电动机的供电从变频器电源切换到工频电源。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，包括下列步骤：

步骤A，检测工频电网的线电压，并相应得到三相相电压瞬时值；

步骤B，根据Clarke变换将所述三相相电压瞬时值变换为两相相电压的电压值；

步骤C，根据所述两相相电压的电压值计算得到当前时刻的电网电压矢量角度；

步骤D，根据所述当前时刻的电网电压矢量角度和T时刻前的电网电压矢量角度计算工频电网频率和电网电压矢量旋转方向；

步骤E，判断变频器的输出频率是否接近工频频率；具体是判断所述输出频率与工频频率之差的绝对值是否小于第一设定阈值，若是则进入下一步骤；

步骤F，根据所述工频电网频率对所述变频器的输出频率进行校正；具体是设定偏置频率，将所述偏置频率与工频电网频率之和作为校正系统的给定，所述给定减去校正系统的反馈后通过比例积分调节器和限幅环节得到频率补偿量，所述频率补偿量与变频器给定投切频率之和作为所述反馈和校正后的变频器的输出频率；

步骤G，待所述校正系统的给定与反馈的偏差小于第一偏差值后，判断变频器的输出电压矢量旋转方向与所述电网电压矢量旋转方向是否一致，若是则进入下一步骤，否则停机报警；

步骤H，判断所述当前时刻的电网电压矢量角度与变频器输出电压矢量角度之差的绝对值是否小于第二设定阈值，若是则将交流电动机的供电从变频器电源切换到工频电源。

2.根据权利要求1所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，所述步骤D是根据当前时刻和T时刻前的电网电压矢量角度计算出T时间内电网电压矢量角度的变化量，进而算出电网电压矢量频率f，对f进行低通滤波得到工频电网频率Fb，并根据所述当前时刻和T时刻前的电网电压矢量角度推算出所述电网电压矢量旋转方向。

3.根据权利要求2所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，所述步骤D中对f进行低通滤波的公式为Fb＝a*Fb′+b*f其中a和b为权值系数。

4.根据权利要求3所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，a＝7/8，b＝1/8。

5.根据权利要求1所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，所述T为2毫秒。

6.根据权利要求1所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，所述第一设定阈值为5赫兹。

7.根据权利要求1所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，所述偏置频率为0.5赫兹。

8.根据权利要求1所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，所述第一偏差值设置为0.2赫兹。

9.根据权利要求1所述的交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的方法，其特征在于，所述第二设定阈值为1度。

10.一种交流电机从变频器电源平滑切换至工频电源的系统，其特征在于，包括：

相电压获取模块，用于检测工频电网的线电压，并相应得到三相相电压瞬时值；

Clarke变换模块，用于根据Clarke变换将所述三相相电压瞬时值变换为两相相电压的电压值；

电网电压矢量角度计算模块，用于根据所述两相相电压的电压值计算得到当前时刻的电网电压矢量角度；

电网频率及矢量旋转方向计算模块，用于根据所述当前时刻的电网电压矢量角度和T时刻前的电网电压矢量角度计算工频电网频率和电网电压矢量旋转方向；

变频器输出频率监测模块，用于判断变频器的输出频率是否接近工频频率，具体是判断所述输出频率与工频频率之差的绝对值是否小于第一设定阈值；

变频器输出频率校正模块，用于在所述变频器输出频率监测模块的判断结果为是时，根据所述工频电网频率对所述变频器的输出频率进行校正；具体是设定偏置频率，将所述偏置频率与工频电网频率之和作为校正系统的给定，所述给定减去校正系统的反馈后通过比例积分调节器和限幅环节得到频率补偿量，所述频率补偿量与变频器给定投切频率之和作为所述反馈和校正后的变频器的输出频率；

旋转方向判断模块，用于待所述校正系统的给定与反馈的偏差小于第一偏差值后，判断变频器的输出电压矢量旋转方向与所述电网电压矢量旋转方向是否一致，若不是则停机报警；

变频器输出电压矢量角监测模块，用于在所述旋转方向判断模块的判断结果为是时，判断所述当前时刻的电网电压矢量角度与变频器输出电压矢量角度之差的绝对值是否小于第二设定阈值；

投切模块，用于在所述变频器输出电压矢量角监测模块的判断结果为是时，将交流电动机的供电从变频器电源切换到工频电源。

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