CN103475303B - 变频器的旁路切换方法、系统及电源切换方法、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频器的旁路切换方法、系统及电源切换方法、系统。该旁路切换方法包括以下步骤：实时检测该电机的输入端电压以及电网电压的频率、相角、相序和幅值；实时检测该变频器是否发生故障；计算一时间间隔；在等待该时间间隔后，断开第一开关装置和第二开关装置、并闭合第三开关装置。本发明的变频器的旁路切换方法、系统及电源切换方法、系统通过在需要切换至旁路或切换至不同频率的电源时，先计算出冲击电动势的最小值对应的时刻，并在该时刻进行切换，从而尽可能降低冲击电流、并且电机速度的衰减可更少，进而保护电机不受损坏。

Description

变频器的旁路切换方法、系统及电源切换方法、系统

技术领域

本发明涉及一种变频器的旁路切换方法、系统及电源切换方法、系统。

背景技术

在很多变频器应用的场合，当运行中的变频器出现故障或其他特殊情况时，为了不影响正常作业流程，需要将电机切换至工频状态下运行，这通常通过旁路切换来完成。由于突发故障时，电压的频率、幅值、相角均不确定，因此直接切换至工频状态下可能造成很大的冲击电流。常规的变频器系统旁路结构如图1所示，一电机1经一开关装置K2连接至一变频器2，该变频器2经一开关装置K2连接至电网3，系统的旁路即该电机1经一开关装置K3直接连接至电网3。目前常规的旁路切换方法的流程如图2所示，在正常情况下变频运行，当自动旁路条件得到满足时，即通常是当运行中的变频器出现故障后，开关装置K1、K2断开，即断开变频器2。然后延时一预设时间，等电机反电动势消失后，再闭合开关装置K3通过旁路切入工频。然而，这样的切换方法仍会在切换至旁路时产生相当大的冲击电流，并且由于断开变频器后的延时电机速度可能已经衰减很多，在需要电机不降速的场合，现有常规旁路切换方法会受到更大制约。此外，现有的旁路切换方法，在开关装置如真空接触器等发生老化的情况下无法调整至系统旁路动作的最佳时刻，无法适应不同的开关装置，并且容易由于自动旁路造成对电机、电气部件的损坏。类似的，在需要将电机切换至不同频率的电压的电源工作时，现有的电源切换方法也需要断开原先连接的电源后延时一段时间后才连接至另一电源，因而同样存在电机速度衰减和大冲击电流等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中变频器的旁路切换方法无法调整至系统旁路动作的最佳时刻、无法适应不同的开关装置，在切换至旁路时或切换至不同频率的电源时会产生相当大的冲击电流、且电机速度会显著衰减，系统旁路时易出现大电流、且容易由于自动旁路造成对电机、电气部件的损坏的缺陷，提出一种变频器的旁路切换方法、系统及电源切换方法、系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种变频器的旁路切换方法，一电机经由一第二开关装置连接至一变频器，该变频器经由一第一开关装置连接至电网，该电机还经由一第三开关装置连接至电网，该第一开关装置和该第二开关装置均预置为闭合状态，该第三开关装置预置为断开状态，其特点在于，该旁路切换方法包括以下步骤：

S₁₀₁、实时检测该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值，以及电网电压的频率、相角、相序和幅值；

S₁₀₂、实时检测该变频器是否发生故障，在检测到故障时执行S₁₀₃；

S₁₀₃、根据S₁₀₁中测得的该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值，以及电网电压的频率、相角、相序和幅值计算一时间间隔；

S₁₀₄、在等待该时间间隔后，断开该第一开关装置和该第二开关装置、并闭合该第三开关装置。

本领域技术人员应当理解，由于当该变频器发生故障时，该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值与电网电压的频率、相角、相序和幅值不可能完全一致，因而S₁₀₃中的冲击电动势是该电机切换至旁路时必然会产生的。计算该时间间隔就是为了尽可能选择冲击电流较小的时刻进行切换。

较佳地，S₁₀₃中根据以下公式计算该时间间隔：

$\left|C\left(t\right)\right|=\sqrt{A^2+B^{2}f{\left(t\right)}^2-2\mathrm{AABf}\left(t\right)\cos [a-b-(w_a-w_b)t]};$

其中|C(t)|为t时刻冲击电动势的幅值，w_b、b和B分别为该电机的输入端电压的频率、相角和幅值，w_a、a和A分别为电网电压的频率、相角和幅值，f(t)为电机反电动势的衰减函数。

本领域技术人员应当理解，上述t时刻即表示距离当前时间的时间间隔为t的时刻，电机反电动势的衰减函数f(t)可通过两种方式得到，一种是通过根据电机类型确定的电机模型推导出电机反电动势的函数，另一种是通过实验测量电机在多个不同时刻的反电动势的数值，然后通过插值拟合出函数f(t)。

较佳地，S₁₀₃和S₁₀₄之间还包括一步骤S₁₀₃₁：

S₁₀₃₁、根据此前每一次该第三开关装置从断开状态变为闭合状态的动作时间，采用一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法或限幅滤波法计算一动作时间估值；

S₁₀₄为：

计算一时长、该时长等于该时间间隔减去该动作时间估值，在等待该时长后，断开该第一开关装置和该第二开关装置、并闭合该第三开关装置。

其中，S₁₀₃₁中的此前每一次该第三开关装置从断开状态变为闭合状态的动作时间可以是对该第三开关装置的动作时间的所有数据记录，也可以是该旁路切换方法在此前已经多次执行、从而在多次执行该旁路切换方法时记录的每一次该第三开关装置的动作时间。

较佳地，在S₁₀₄中，先断开该第二开关装置、然后闭合该第三开关装置、最后断开该第一开关装置。

通过这一设置，使得在该变频器的输入电源的切断在电机的旁路切换的最后阶段才完成，当该变频器的控制电源和输入电源直接联系时能够避免包括该电机、该第一开关装置、该第三开关装置的整个系统可能因失电而无法正常执行动作。

本发明还提供了一种变频器的旁路切换系统，其特点在于，该旁路切换系统采用了上述旁路切换方法，该旁路切换系统包括该电机、该变频器、该第一开关装置、该第二开关装置、该第三开关装置。

本发明还提供了一种电源切换方法，一电机分别连接至电压的频率不同的一第一电源和一第二电源，该电机和该第一电源的连接预置为闭合状态，该电机和该第二电源的连接预置为断开状态，其特点在于，该电源切换方法包括以下步骤：

S₂₀₁、实时检测该第一电源的电压的频率、相角、相序和幅值，以及该第二电源的电压的频率、相角、相序和幅值；

S₂₀₂、判断是否需要切换至该第二电源，在判断结果为是时执行S₂₀₃；

S₂₀₃、根据S₂₀₁中测得的该第一电源的电压的频率、相角、相序和幅值，以及该第二电源的电压的频率、相角、相序和幅值计算一时间间隔；

S₂₀₄、在等待该时间间隔后，断开该电机和该第一电源的连接、并闭合该电机和该第二电源的连接。

本领域技术人员应当理解，该电源切换方法中的冲击电动势和该旁路切换方法中的冲击电动势是类似的。该电机和该第一电源的连接以及该电机和该第二电源的连接可采用本领域常规手段比如设置开关装置或断路器来实现，只需能够在闭合状态和断开状态间切换即可。

较佳地，S₂₀₃中根据以下公式计算该时间间隔：

$\left|C\left(t\right)\right|=\sqrt{A^2+B^{2}f{\left(t\right)}^2-2\mathrm{AABf}\left(t\right)\cos [a-b-(w_a-w_b)t]};$

其中|C(t)|为t时刻冲击电动势的幅值，w_b、b和B分别为该第一电源的电压的频率、相角和幅值，w_a、a和A分别为该第二电源的电压的频率、相角和幅值，f(t)为电机反电动势的衰减函数。

t时刻冲击电动势的幅值|C(t)|以及电机反电动势的衰减函数f(t)也均与该旁路切换方法中类似。

本发明还提供了一种电源切换系统，其特点在于，该电源切换系统采用了上述电源切换方法，该电源切换系统包括该电机、该第一电源、该第二电源。

该电机和该第一电源的连接以及该电机和该第二电源的连接可采用本领域常规手段比如设置开关装置或断路器来实现，只需能够在闭合状态和断开状态间切换即可。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的变频器的旁路切换方法、系统及电源切换方法、系统通过在需要切换至旁路或切换至不同频率的电源时，先计算出该时间间隔，并等待该时间间隔后进行切换，在开关装置如真空接触器等发生老化的情况下仍能够调整至系统旁路动作的最佳时刻、规避了因开关装置动作时间不一致对系统旁路造成的影响、并能够适应不同的开关，防止了切换时产生大电流，同时尽可能降低冲击电流、并且电机速度的衰减可更少，从而有效地保护了电机和电气部件不受损坏。

附图说明

图1为常规的变频器系统旁路结构的示意图。

图2为常规的旁路切换方法的流程图。

图3为本发明实施例1的变频器的旁路切换方法的流程图。

图4为本发明实施例2的电机的电源切换方法的流程图。

图5为本发明实施例1中的电压矢量叠加的原理图。

图6为本发明实施例1的旁路切换方法的实际使用过程的流程图。

图7为用于实现本发明实施例1的旁路切换方法的旁路动作决策器的软件架构图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图3所示为本发明实施例1的变频器的旁路切换方法，一电机经由一第二开关装置连接至一变频器，该变频器经由一第一开关装置连接至电网，该电机还经由一第三开关装置连接至电网，该第一开关装置和该第二开关装置均预置为闭合状态，该第三开关装置预置为断开状态，该旁路切换方法包括以下步骤：

S₁₀₁、实时检测该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值，以及电网电压的频率、相角、相序和幅值；

S₁₀₂、实时检测该变频器是否发生故障，在检测到故障时执行S₁₀₃；

S₁₀₃、根据S₁₀₁中测得的该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值，以及电网电压的频率、相角、相序和幅值计算一时间间隔；

S₁₀₄、在等待该时间间隔后，断开该第一开关装置和该第二开关装置、并闭合该第三开关装置。

本领域技术人员应当理解，由于当该变频器发生故障时，该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值与电网电压的频率、相角、相序和幅值不可能完全一致，因而S₁₀₃中的冲击电动势是该电机切换至旁路时必然会产生的。冲击电动势矢量等于该电机的输入端电压矢量和该电网电压矢量之差，冲击电动势的幅值越小，相应的造成的冲击电流也越小，更能够保障电机不受损坏。

在一优选实施例中，S₁₀₃中根据以下公式计算该时间间隔：

$\left|C\left(t\right)\right|=\sqrt{A^2+B^{2}f{\left(t\right)}^2-2\mathrm{AABf}\left(t\right)\cos [a-b-(w_a-w_b)t]};$

其中|C(t)|为t时刻冲击电动势的幅值，w_b、b和B分别为该电机的输入端电压的频率、相角和幅值，w_a、a和A分别为电网电压的频率、相角和幅值，f(t)为电机反电动势的衰减函数。

下面参考图5所示对上述公式进行说明，图5中L为电网电压矢量，M为该电机的输入端电压矢量，M也可以认为是电机的反电动势，r为矢量M和N之间的相位差。矢量叠加后得到为矢量N，矢量N的数值越大冲击电流也越大。根据三角余弦定理，可得如下矢量关系式：N²=L²+M²-2LMcosr。式中L、M、r均为时间的函数，为处理方便，做如下近似处理：

L的幅值与频率在一次旁路切换的时间内维持恒定、分别取值为A和w_a，M的频率在一次旁路切换的时间内也维持恒定、取值为w_b；

M的幅值随时间变化，|M|=Bf(t)，其中B为常数，f(t)为电机反电动势的衰减函数。

在当前时刻测得该电机的输入端电压的相角为a，该电网电压的相角为b，则t时刻的相位差r为：r=a-b-(w_a-w_b)t。

显然矢量N的幅值即|C(t)|，L的幅值即A，M的幅值即B。综上可得公式 $\left|C\left(t\right)\right|=\sqrt{A^2+B^{2}f{\left(t\right)}^2-2\mathrm{AABf}\left(t\right)\cos [a-b-(w_a-w_b)t]}.$

优选地，S₁₀₃和S₁₀₄之间还包括一步骤S₁₀₃₁：

S₁₀₃₁、根据此前每一次该第三开关装置从断开状态变为闭合状态的动作时间，采用一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法或限幅滤波法计算一动作时间估值；

S₁₀₄为：

计算一时长、该时长等于该时间间隔减去该动作时间估值，在等待该时长后，断开该第一开关装置和该第二开关装置、并闭合该第三开关装置。

其中，S₁₀₃₁中的此前每一次该第三开关装置从断开状态变为闭合状态的动作时间可以是对该第三开关装置的动作时间的所有数据记录，也可以是该旁路切换方法在此前已经多次执行、从而在多次执行该旁路切换方法时记录的每一次该第三开关装置的动作时间。计算该动作时间估值还可以采用中位值滤波法、算术平均滤波法、递推平均滤波法、中位值平均滤波法、消抖滤波法、限幅消抖滤波法、卡尔曼滤波等。

举例来说，在计算该动作时间估值时可以依据一递推公式T_n=a*T_n-1+(1-a)*R_n-1。该递推公式中，在此前每一次该第三开关装置从断开状态变为闭合状态的动作时间的总次数为n-2的情况下，该动作时间估值为T_n-1，n为满足n>1的整数，R_n-1为第n-1次该第三开关装置的动作时间，a为满足0<a<1的一预设常数。根据该递推公式、T_n-1和R_n-1估算T_n。举例来说，式中的预设常数a可以取为a=0.1。

优选地，在S₁₀₄中，先断开该第二开关装置、然后闭合该第三开关装置、最后断开该第一开关装置。

通过这一设置，使得在该变频器的输入电源的切断在电机的旁路切换的最后阶段才完成，当该变频器的控制电源和输入电源直接联系时能够避免包括该电机、该第一开关装置、该第三开关装置的整个系统可能因失电而无法正常执行动作。

本实施例的旁路切换系统，采用了本实施例的旁路切换方法。如图1所示，本实施例的电机的旁路切换系统的结构和常规的变频器系统旁路结构相近，该旁路切换系统包括该电机1、该变频器2、该第一开关装置K1、该第二开关装置K2、该第三开关装置K3。该变频器2经由一第一开关装置K1连接至电网3，该电机1还经由一第三开关装置K3连接至电网3。本领域技术人员应当理解，图1中仅为示意该第一开关装置K1、该第二开关装置K2、该第三开关装置K3，并且由于是三相交流电机，因此图1中示出了三根导线和分别对应每个开关装置的三个开关。图1的示意并不限定开关装置的具体结构，只要能够在闭合状态和断开状态间切换，都可适用。

下面结合图7说明用于实现本实施例的旁路切换方法的旁路动作决策器的软件架构图。参考图7所示，旁路动作决策器的软件架构中主要包括以下几个部分：K3（即开关装置）动作时间预估模块、电机反电动势衰减模型、矢量叠加计算模块、矢量叠加极值时刻预测模块。其中，K3动作时间预估模块用于根据之前记录的K3（即开关装置）动作时间，以预估本次K3动作时间（即该动作时间估值），估算方法上文已有说明，在此不再赘述。电机反电动势衰减模型用于预测电机输入端电压（即电机反电动势）衰减趋势，并可根据衰减趋势计算出在之后任何时刻电机输入端电压的频率、相角、幅值。矢量叠加计算模块用于根据电机反电动势衰减模型以及电网电压信息，根据上述的公式 $\left|C\left(t\right)\right|=\sqrt{A^2+B^{2}f{\left(t\right)}^2-2\mathrm{AABf}\left(t\right)\cos [a-b-(w_a-w_b)t]},$ 计算出任意时刻电机输入端电压矢量与电网电压矢量叠加得到的电压矢量。矢量叠加极值时刻预测模块根据矢量叠加计算模块以及K3动作时间预估模块，可预测出在某一时刻，上述方法矢量叠加得到的电压矢量最小，即在该时刻进行旁路切换的冲击电动势最小。据此，矢量叠加极值时刻预测模块发出的旁路动作信号，以指令在该时刻完成旁路切换动作。

本领域技术人员应当理解，上述说明仅为实现本实施例的旁路切换方法的软件架构的举例，并不限制采用本发明的旁路切换方法必须依赖于和上述说明完全一致的软件架构。即使软件架构和本实施例的举例有所差别，只要其实际的旁路切换方法的步骤流程和本发明实质相同，仅仅是功能划分不同，仍将落入本发明的保护范围。

下面结合图6说明本实施例的旁路切换方法的实际使用过程。如图6所示，旁路切换系统一开始处于正常变频运行状态，并实时检测电网电压和变频器2输出至电机1的电压的频率、相角、相序和幅值。由于在相序不一致的情况下，本发明的对于该时间间隔的计算并不适用，因而在检测到相序不一致的情况下，退出系统旁路，即不执行旁路切换动作，以免损坏该电机1或电气部件。在相序一致的情况下，判断是否需要切换至旁路。较典型的，判断需要切换至旁路的情况应当是发生故障的情况。在不需要切换至旁路时，仍然保持正常变频运行状态。在需要切换至旁路时，该第一开关装置K1和该第二开关装置K2断开，从而断开经过该变频器2的通路。然后如上所述的计算出该时间间隔，计算出该时间间隔后即确定了该第三开关装置K3的闭合的时间点，也就是确定了旁路动作，并向该第三开关装置K3发出指令。容易理解的，此处发出指令仅表示对该第三开关装置K3的控制，并不意味着该第三开关装置K3必须设有用于接收指令的部件。根据指令该第三开关装置K3在计算出的时间点闭合，即该电机1切换至工频。并且累计该第三开关装置K3的动作时间，并记录。容易理解的，每一次旁路切换都记录下动作时间以便于利用滤波方法对下一次的动作时间进行估算计算出该动作时间估值。

实施例2

如图4所示为本实施例的电源切换方法，一电机分别连接至电压的频率不同的一第一电源和一第二电源，该电机和该第一电源的连接预置为闭合状态，该电机和该第二电源的连接预置为断开状态，该电源切换方法包括以下步骤：

S₂₀₁、实时检测该第一电源的电压的频率、相角、相序和幅值，以及该第二电源的电压的频率、相角、相序和幅值；

S₂₀₂、判断是否需要切换至该第二电源，在判断结果为是时执行S₂₀₃；

S₂₀₃、根据S₂₀₁中测得的该第一电源的电压的频率、相角、相序和幅值，以及该第二电源的电压的频率、相角、相序和幅值计算一时间间隔；

S₂₀₄、在等待该时间间隔后，断开该电机和该第一电源的连接、并闭合该电机和该第二电源的连接。

本领域技术人员应当理解，该电源切换方法中的冲击电动势和该旁路切换方法中的冲击电动势是类似的。该电机和该第一电源的连接以及该电机和该第二电源的连接可采用本领域常规手段比如设置开关装置或断路器来实现，只需能够在闭合状态和断开状态间切换即可。S₂₀₂中的判断结果为否时，不进行切换。

在一优选实施例中，S₂₀₃中根据以下公式计算该时间间隔：

C(t)²=A²+B²f(t)²-2ABf(t)cos[a-b-(w_a-w_b)t]；

其中|C(t)|为t时刻冲击电动势的幅值，w_b、b和B分别为该第一电源的电压的频率、相角和幅值，w_a、a和A分别为该第二电源的电压的频率、相角和幅值，f(t)为电机反电动势的衰减函数。利用以上公式计算的原理同实施例1中所述的相同，在此不再赘述。

本实施例的电源切换系统，采用了本实施例的电源切换方法，该电源切换系统包括该电机、该第一电源、该第二电源。

该电机和该第一电源的连接以及该电机和该第二电源的连接可采用本领域常规手段比如设置开关装置或断路器来实现，只需能够在闭合状态和断开状态间切换即可。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种变频器的旁路切换方法，一电机经由一第二开关装置连接至一变频器，该变频器经由一第一开关装置连接至电网，该电机还经由一第三开关装置连接至电网，该第一开关装置和该第二开关装置均预置为闭合状态，该第三开关装置预置为断开状态，其特征在于，该旁路切换方法包括以下步骤：

S₁₀₁、实时检测该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值，以及电网电压的频率、相角、相序和幅值；

S₁₀₂、实时检测该变频器是否发生故障，在检测到故障时执行S₁₀₃；

S₁₀₃、根据S₁₀₁中测得的该电机的输入端电压的频率、相角、相序和幅值，以及电网电压的频率、相角、相序和幅值计算一时间间隔；

S₁₀₃中根据以下公式计算该时间间隔，S₁₀₃计算冲击电动势的幅值取极小值的时刻距离当前的时间间隔；

其中|C(t)|为t时刻冲击电动势的幅值，w_b、b和B分别为该电机的输入端电压的频率、相角和幅值，w_a、a和A分别为电网电压的频率、相角和幅值，f(t)为电机反电动势的衰减函数；

S₁₀₄、在等待该时间间隔后，断开该第一开关装置和该第二开关装置、并闭合该第三开关装置。

2.如权利要求1所述的旁路切换方法，其特征在于，S₁₀₃和S₁₀₄之间还包括一步骤S₁₀₃₁：

S₁₀₃₁、根据此前每一次该第三开关装置从断开状态变为闭合状态的动作时间，采用一阶滞后滤波法、加权递推平均滤波法或限幅滤波法计算一动作时间估值；

S₁₀₄为：

计算一时长，该时长等于该时间间隔减去该动作时间估值，在等待该时长后，断开该第一开关装置和该第二开关装置、并闭合该第三开关装置。

3.如权利要求1-2中任意一项所述的旁路切换方法，其特征在于，在S₁₀₄中，先断开该第二开关装置、然后闭合该第三开关装置、最后断开该第一开关装置。

4.一种变频器的旁路切换系统，其特征在于，该旁路切换系统采用了如权利要求1-3中任意一项所述的旁路切换方法，该旁路切换系统包括该电机、该变频器、该第一开关装置、该第二开关装置、该第三开关装置。

5.一种电源切换方法，一电机分别连接至电压的频率不同的一第一电源和一第二电源，该电机和该第一电源的连接预置为闭合状态，该电机和该第二电源的连接预置为断开状态，其特征在于，该电源切换方法包括以下步骤：

S₂₀₁、实时检测该第一电源的电压的频率、相角、相序和幅值，以及该第二电源的电压的频率、相角、相序和幅值；

S₂₀₂、判断是否需要切换至该第二电源，在判断结果为是时执行S₂₀₃；

S₂₀₃、根据S₂₀₁中测得的该第一电源的电压的频率、相角、相序和幅值，以及该第二电源的电压的频率、相角、相序和幅值计算一时间间隔；

S₂₀₃中根据以下公式计算该时间间隔，S₂₀₃计算冲击电动势的幅值取极小值的时刻距离当前的时间间隔；

其中|C(t)|为t时刻冲击电动势的幅值，w_b、b和B分别为该第一电源的电压的频率、相角和幅值，w_a、a和A分别为该第二电源的电压的频率、相角和幅值，f(t)为电机反电动势的衰减函数；

S₂₀₄、在等待该时间间隔后，断开该电机和该第一电源的连接、并闭合该电机和该第二电源的连接。

6.一种电源切换系统，其特征在于，该电源切换系统采用了如权利要求5所述的电源切换方法，该电源切换系统包括该电机、该第一电源、该第二电源。