CN104037930A - 消防水泵主备电源切换过程中最优时间点的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消防水泵在从主电源切换到备用电源切换过程中最优切换时间点的确定方法。具体是指接入备用电源瞬间，因电机所产生的反电动势与备用电源之间存在相位差和频率差，直接接通会损伤电路与设备，旨在确定最优接通时间点以减小损害的方法。首先同步采集模块获得备用电源和反电动势的电流信号；利用信号分析模块得到备用电源与反电动势之间的相位差和瞬时频率；通过线性加权法计算出相位差和频率差的综合影响程度值，在综合影响程度到达要求时，通过控制切换开关，完成电源切换，使存在的频率差和相位差而引起的水泵中电机转子发热，转轴振动等问题更小，延长水泵以及整个电路的使用寿命。

Description

消防水泵主备电源切换过程中最优时间点的确定方法

技术领域

本发明提供了一种确定消防水泵在最优时间点从主电源切换到备用电源的方法。具体是指当电机运行过程中掉电，需快速接入备用电源时，因电机惯性运转时所产生的反电动势与备用电源之间存在相位差和频率差，直接接通时会对整个电路与设备造成损伤，旨在确定一个最优接通时间点使损害降到最低的方法。

背景技术

大型交流电动机在运行的过程中断电时，转子绕线在旋转磁场消失时会产生较大的反电势，其电压会慢慢变小，频率将由50hz降为0hz，但持续的时间能够达到2秒之多，是一个很大的潜在的危害。启动备用发电机之后，初始的备用电也并不是稳定的，频率会由0hz升为50hz。然而在生产生活中，电动机不能停机等待、必须尽快通电恢复运行的情况是普遍存在的，如果断电之后立刻接入备用电，显然，那无疑是一种危险的做法，备用发电机产生的电与反电势存在电压差、频率差和相角差，这都会影响到备用发电机和电动机的运行、系统的稳定性和使用寿命。然而现在的处理这种情况的手段较为简单，一般都是直接接入电网，解决这一问题有很大的实用价值。

电压差和频率差会造成无功功率和有功功率，也就是在断路器合闸的一瞬间，形成回路，电压高的那一侧向电压低的那一侧输送一定数值的无功功率，频率高的那一侧向频率低的那一侧输送一定数值的有功功率，产生冲击电流，在电动机轴上产生冲击力矩，导致机械振动，线圈绕组发热等。因为一般电动机有软启动器控制电压，故所诉方法中不涉及电压差的解决方法。因为两个信号都是非平稳信号，频率是变化的，一个缓慢增大到稳定的50hz，一个缓慢的由50hz降为0hz，对信号进行实时处理，检测瞬时的频率，在瞬时频率适当的时刻接通，能够减小电动机因频率问题而引起的损坏。

相位差是最主要的危害，相角差是指转子和定子三相电流合成的同步旋转磁场磁轴之间的角差，在断路器合闸的一瞬间，备用电压施加到电动机定子上，由其产生的三相电流合成的以角速度ω旋转的旋转磁场将产生一个电磁转矩，强迫电动机的转子轴系与其取向一致，可以想象这一拉入同步的过程是一个质量较大的转子轴系在极短的时间内，在定子电磁转矩 作用下旋转一个角度，因而，接通电源时，较大的相角差对转子轴系会造成很大的损害，例如绕组可能变形松脱，转子振动受损，主轴出现裂纹等。解决相位差是最主要的问题，虽然两个信号都是非平稳的，但是只要检测一个适当的相位差的时间点，便能够消除接通时的相位差损害。

本发明旨在解决这一问题，对备用发电机和反电势进行一系列的信号处理，判断一个合适的时间点接通电源，即到达快速接入的要求，又能够使频率差和相位差造成的危害最小。

发明内容

本发明发针对大型交流电动机在运行过程中断电后，又必须快速接入备用电网启动的情况，所诉方法旨在解决检测一个接入备用电网的最佳时机，计算出备用电源和电动机反电势相位差和频率差影响到达要求的时间点，减少反电势对电动机和整个电路的损害，延长电动机的使用寿命。

本发明的特征可以由以下技术步骤表明：

步骤一：获取电压信号，利用交流互感得到备用电和反电势的模拟信号，然后对信号进行放大，再输入给滤波器。

步骤二：进行滤波处理，互感产生的反电动势的频率将会从50hz变化到0hz,而发电机启动过程中产生的电的频率将会从0hz变化为50hz,两个信号都属于低频信号，主要进行低频滤波以提高信噪比。

步骤三：AD数据采样，完成模数转换，因两个信号均属于低频信号，最高为50hz，直接采用奈奎斯特采样定理进行信号采样。

步骤四：对转换过来的数字信号进行处理，包括相位差的计算和过零法检测瞬时频率，两个信号处理同时进行。利用DFT计算出两路信号的相位，然后作差得到两路信号的相位差，该算法具有抗干扰性强，准确度高的优点。同时利用过零法计算出瞬时频率，最后综合计算两者的共同影响值。

假设信号为离散傅立叶变换(DFT)变换公式

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}},k=\mathrm{0,1,2,3},...,N-1$

其中N为DFT变换区间长度通常等于采样数据长度。在输入信号频率为f，采样频率f_s与k的关系为

$k=\frac{f\·N}{f_s}$

因此根据不同的输入信号的频率便可以计算出对应的x(k)，相位信息可以从该点的实部和虚部得到，其计算公式为

便可以得到相位差为

利用过零法检测两个相邻波形的过零时间点分别是t₁,t₂,则根据过零法瞬时频率检测法可有得到其瞬时频率为

$f_t=\frac{1}{2(t_2-t_1)}$

步骤五：分别利用相位差和频率差的影响因数，对二者进行加权处理设综合影响值为ζ，相位差和频率差的影响因数分别是α和β，则

当计算出频率差和相位差共同作用ζ满足要求时，触发电源切换模块，连接上备用电。

相对现有技术，本方法的优势在于：

1.本发明利用双通道同步信号采集，保证了信号的同步实时性，使信号的采集更准确。

2.本发明对备用电和反电动势的信号同时进行了频率检测和相位差的计算，在信号处理上没有因先后顺序而带来错误，使计算更准确。

3.本发明对相位差和频率差进行综合考虑，进行线性加权处理得到最优结果，使电源切换的时间点达到最优。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的信号处理的流程图

图2为本发明的物理示意图

具体实施方式

此处将结合附图1和附图2，对本发明的实施进行详细的讲述，包括以下几个步骤：

步骤一：获取电压信号，利用交流互感得到备用电和反电势的模拟信号，然后对信号进行放大，再输入给滤波器。

步骤二：进行滤波处理，互感产生的反电动势的频率将会从50hz变化到0hz,而发电机启动过程中产生的电的频率将会从0hz变化为50hz,两个信号都属于低频信号，主要进行低频滤波以提高信噪比。

步骤三：AD数据采样，完成模数转换，因两个信号均属于低频信号，最高为50hz，直接采用奈奎斯特采样定理进行信号采样。

步骤四：对转换过来的数字信号进行处理，包括相位差的计算和过零法检测瞬时频率，两个信号同时进行。利用DFT计算出两路信号的相位，然后作差得到两路信号的相位差，该算法具有抗干扰性强，准确度高的优点。同时利用过零法计算出瞬时频率，最后综合计算两者的共同影响值。

假设信号为离散傅立叶变换(DFT)变换公式

$X\left(k\right)=\mathrm{DFT}\left[x\left(n\right)\right]=\underset{n}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)W_N^{\mathrm{kn}},k=\mathrm{0,1,2,3},...,N-1$

其中N为DFT变换区间长度通常等于采样数据长度。在输入信号频率为f，采样频率f_s与k的关系式为

$k=\frac{f\·N}{f_s}$

因此根据不同的输入信号的频率便可以计算出对应的x(k)，相位信息可以从该点的实部和虚部得到，其计算公式为

便可以得到相位差为

利用过零法检测两个相邻波形的过零时间点分别是t₁,t₂,则根据过零法瞬时频率检测法可有得到其瞬时频率为

$f_t=\frac{1}{2(t_2-t_1)}$

步骤五：分别利用相位差和频率差的影响因数，对二者进行加权处理

设综合影响值为ζ，相位差和频率差的影响因数分别是α,β

当计算出频率差和相位差共同作用ζ满足要求时，触发电源切换模块，连接上备用电。

Claims (6)

1.一种确定消防水泵在最优时间点从主电源切换到备用电源的方法,具体是指当大型交流电动机在运行过程中掉电，在电机快速接入备用电源时，减小电机反电动势给整个电路和电机造成的损害。其特征是对备用电源和电机反电动势信号进行同步采集、进行同步分析处理和线性加权处理来使切换时间点更准确。

2.根据权利要求1所诉的一种确定消防水泵在最优时间点从主电源切换到备用电源的方法，对两个信号的同步采集的特征包括以下步骤：

步骤一：利用交流互感器得到备用电源和反电势的模拟电流信号；

步骤二：进行滤波处理，互感产生的反电动势的频率将会从50Hz变化到0Hz,而发电机启动过程中产生的电的频率将会从0Hz变化为50Hz,两个信号都属于低频非平稳信号，主要进行低频滤波以提高信噪比；

步骤三：对两个信号进行双通道同步采样的，完成AD模数转换，因两个信号均属于低频信号，最高为50Hz，直接采用奈奎斯特采样定理进行信号采样，得到的数字信号比较准确且简便。

3.根据权利要求1所诉的一种确定消防水泵在最优时间点从主电源切换到备用电源的方法，对两个信号的同步处理的特征在于：对转换过来的数字信号进行处理，包括相位差计算和过零法检测瞬时频率，两个信号处理同时进行。

4.根据权利要求3所述的对备用电源和反电动势的相位差计算，其特征在于：利用DFT计算出两路信号的相位，然后作差得到两路信号的相位差，该算法具有抗干扰性强，准确度高的优点。

假设信号为离散傅立叶变换DFT变换公式为

其中N为DFT变换区间长度通常等于采样数据长度。在输入信号频率为f，采样频率f_s与k的关系式为

因此根据不同的输入信号的频率便可以计算出对应的X(k)，相位信息可以从该点的实部和虚部得到，其计算公式为

便可以得到相位差为

。

5.根据权利要求3所述的对备用电源和电机反电动势信号的瞬时频率检测，其特征在于：利用过零法检测两个相邻波形的过零时间点分别是t₁,t₂则根据过零法瞬时频率检测法可有得到其瞬时频率为

。

6.根据权利要求1所诉的一种确定消防水泵在最优时间点从主电源切换到备用电源的方法，对两个信号的最优计算处理的特征在于：分别利用相位差和频率差的影响因数，对二者进行线性加权处理；设综合影响值为ζ，相位差和频率差的影响因数分别是α和β，则

当计算出频率差和相位差共同作用满足要求时，触发开关切换模块，连接上备用电。