CN104201938A - 一种基于cpld的变频器软启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CPLD的变频器软启动方法，对电网电压过零检测得到方波信号；然后由CPLD对方波信号进行相位调整，获取调整后方波信号的相位及频率信息；根据获取的相位及频率信息调整变频器输出电压的相位及频率，锁定变频器输出电压；最后把电动机的供电源从变频器切换到工频电网电压，完成变频器同步切换。本发明能精准得到电网电压的相位及频率信息，大大提高了锁相环同步切换时电网电压与变频器输出电压这两个电压波形的重合度，解决了变频器启动时对电网冲击大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及高压变频器软启动技术，具体涉及一种基于CPLD的变频器软启动方法。
背景技术
电动机在空载直接工频启动时，启动电流一般是运行电流的4～7倍，对电网冲击很大。当前，降低启动电流的方法有很多种，其中变频器软启动是一种理想的方法。变频器软启动，是变频器加速将电机拖动到50Hz，进入锁相环路的搜索范围，调整和锁定变频器输出电压的频率、相位、幅值等使其与电网电压一致，快速合上电网电压与电动机之间的连接，然后断开变频器与电机的连接，完成变频器到电网的无扰同步切换。在从变频切换到工频的过程中，对变频器输出电压和电网电压的相位、频率重合度要求非常高；在切换时，上述两个波形重合度越高，对电网、变频器、电机等造成的冲击或损害就会越小。
在现有变频器软启动技术中，比较常见的为采用可控硅或晶闸管等电子元器件来实现直流母线电压的缓慢上升，从而完成变频器的软启动。这类技术电路结构相对复杂，且难以控制变频器输出电压和电网电压的重合度。
发明内容
本发明提供一种基于CPLD的变频器软启动方法，采用CPLD检测电网电压的相位及频率信息，再由主控微处理器根据所检测的相位及频率信息实时调整变频器输出电压，实现变频器无扰同步切换，解决了现有技术难以控制变频器输出电压与电网电压重合度，造成变频器启动时对电网冲击大的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于CPLD的变频器软启动方法，包括以下步骤：
S1、对电网电压进行过零检测，得到包含相位信息的方波信号；
S2、CPLD根据方波信号与电网电压信号的相位差值大小，调整步骤S1所述方波信号的相位，得到相位调整后的方波信号；
S3、CPLD对相位调整后的方波信号进行相位识别，获得相位信息；
S4、CPLD对相位调整后的方波信号进行频率计算，获得频率信息；
S5、控制变频器输出电压频率，当变频器输出电压频率等于步骤S4所获取的频率信息时锁定；控制变频器输出电压相位，当变频器输出电压相位与步骤S3所获取的相位信息同相时锁定；
S6、将电动机的供电源从变频器切换到工频电网电压。
在一个优选的实施例中，步骤S2调整方波信号的相位过程如下：测量方波信号与电网电压信号的相位差值；根据所述相位差值的大小，CPLD将方波信号的上升沿、下降沿推迟翻转，得到一个相位调整后的方波信号。
在一个优选的实施例中，步骤S3相位识别的过程如下：在CPLD内设计异步清零的计数器，由计数器对所述相位调整后的方波信号在一个周期内的相位信息进行计数。所述计数器的清零信号为所述经相位调整后方波信号的上升沿。
在一个优选的实施例中，步骤S4频率计算的过程如下：对所述相位调整后的方波信号的方波个数进行计数。对方波个数进行计数时，在相位调整后的方波信号的每一个上升沿计数加1。
优选地，步骤S5的控制由主控微处理器完成，由CPLD获取的相位和频率信息放置于CPLD和主控微处理器的总线上供主控微处理器读取。所述主控微处理器实时读取总线上的频率信息，主控微处理器控制变频器输出电压频率使其等于所读取的频率信息，当变频器输出电压频率达到所读取的频率信息时锁定；锁定之后，主控微处理器实时读取总线上的相位信息，并与当前变频器输出电压的相位作比较，调整变频器输出电压的相位，使其向所读取的相位信息靠拢，当两者达到同相时锁定变频器输出电压。
优选地，当CPLD持续若干微秒未检测到方波信号时，CPLD判定为锁相故障，向主控微处理器输出中断信号，主控微处理器停止变频器输出。
为了最大限度降低切换时对电网造成的电流冲击，本发明采用以下软启动原理：通过对电网侧输入电压进行采样处理，转换成含有正弦信号正负半波信息的方波信号，由CPLD采集该方波信号，并通过CPLD内部程序设计，还原出精准的可量化的相位及频率信息，并将其传送至变频器主控微处理器。主控微处理器根据电网输入电压的相位、频率信息，调整高压变频器输出电压的相位和频率，由于电网输入电压为固定频率，当高压变频器输出电压的频率等于电网电压的频率时，即达到锁定；锁定频率之后，主控微处理器不断搜索电网电压相位，并调整高压变频器输出电压的相位，使其向电网电压相位靠拢，当两者的相位相同时锁定变频器输出电压，主控微处理器发出切换指令，首先合上工频电网电压与电机的连接，再断开高压变频器与电动机的连接，完成变频器无扰同步切换。
与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：具有快速的响应时间和运算能力，能精准得到电网电压的相位及频率信息，大大提高了锁相环同步切换时电网电压与变频器输出电压这两个电压波形的重合度，从而降低了锁相同步切换时对电网的二次电流冲击。
附图说明
图1是本发明实施例的硬件结构框图；
图2是本发明实施例的流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例及说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，本发明在硬件结构上包括依次连接的过零检测比较电路、CPLD及主控微处理器；CPLD、主控微处理器采用总线相连，该总线时序由主控微处理器控制；同时，CPLD一个具有输出功能的引脚直接与主控微处理器的硬件中断引脚相连。为了检测电网电压的相位和频率信息，本发明直接对电网电压进行采样检测，采样到的电网电压信号经过过零检测电路转换为含有正弦信号正负半波信息的方波信号，并将该方波信号送入CPLD，CPLD内部程序对方波信号进行相位、频率调整和计算处理，得到精准的数字相位信息和频率信息，此信息通过总线送至主控微处理器。如图2所示，本发明实现变频器软启动的步骤如下：
1、对电网电压(50Hz)进行过零检测，得到包含相位信息的方波信号，该方波信号的高电平表示输入电压正弦信号的正半波，低电平表示输入电压正弦信号的负半波，方波信号频率为50Hz。从而将50Hz电网电压信号转化为一个连续的正负方波信号。其中，过零检测采用过零检测比较电路来完成。
2、方波信号经过光耦隔离后送至CPLD，进行相位调整。由于硬件电路的固有属性，经过一系列处理后所得到的方波信号与原始的电网电压信号其零点并不是完全重合的，大约延时60μs，为此在CPLD内部需要对方波信号进行相位调整。相位调整的过程为：
首先，测量方波信号与电网电压信号的相位差值；然后根据差值的大小，在CPLD内部将方波信号的上升沿、下降沿推迟翻转，得到一个相位调整后的方波信号。
3、对相位调整后的方波信号进行相位识别，获得相位信息。在CPLD内部设计一个异步清零计数器，由计数器对相位调整后的方波信号在一个周期内的相位信息进行计数，计数器的时钟信号采用周期为5μs的脉冲信号，时钟信号来源于晶振分频；所以一个50Hz的电网电压信号在一个周期的计数值为4000。而清零信号为步骤2经相位调整后方波信号的上升沿，计数器的数值即包含相位信息。
4、对相位调整后的方波信号进行频率计算，获得频率信息。对步骤2经相位调整后方波信号的方波个数进行计数，在相位调整后的方波信号的每一个上升沿计数加1，以1S为计数周期，得到的计数值即含有频率信息。
在步骤3、4中，由CPLD获取的相位和频率信息放置于CPLD和主控微处理器的总线上供主控微处理器读取。
5、锁相故障保护。若CPLD持续几个微秒(例如10μs)未检测到方波信号，此时CPLD判定为锁相故障，将拉低主控微处理器的硬件中断引脚信号，此时主控微处理器立即停止变频器输出，对变频器、电机及电网起到及时的保护。
6、切换过程，将电动机的供电源从变频器切换到工频电网电压。主控微处理器实时读取总线上的频率信息，主控微处理器控制变频器输出电压频率使其等于所读取的频率信息，当变频器输出电压频率达到电网电压频率(即所读取的频率信息)时锁定；锁定之后，主控微处理器实时读取总线上的相位信息，并与当前变频器输出电压的相位作比较，并调整高压变频器输出电压的相位，使其向工频相位(即所读取的相位信息)靠拢，当两者达到同相时立即锁定变频器输出电压；然后主控微处理器发出切换指令，首先合上工频电网电压与电动机的连接，再断开高压变频器与电动机的连接，完成变频器无扰同步切换。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质和原理下所作的修改、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于CPLD的变频器软启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对电网电压进行过零检测，得到包含相位信息的方波信号；
S2、CPLD根据方波信号与电网电压信号的相位差值大小，调整步骤S1所述方波信号的相位，得到相位调整后的方波信号；
S3、CPLD对相位调整后的方波信号进行相位识别，获得相位信息；
S4、CPLD对相位调整后的方波信号进行频率计算，获得频率信息；
S5、控制变频器输出电压频率，当变频器输出电压频率等于步骤S4所获取的频率信息时锁定；控制变频器输出电压相位，当变频器输出电压相位与步骤S3所获取的相位信息同相时锁定；
S6、将电动机的供电源从变频器切换到工频电网电压。
2.根据权利要求1所述的变频器软启动方法，其特征在于，步骤S2调整方波信号的相位过程如下：测量方波信号与电网电压信号的相位差值；根据所述相位差值的大小，CPLD将方波信号的上升沿、下降沿推迟翻转，得到一个相位调整后的方波信号。
3.根据权利要求1所述的变频器软启动方法，其特征在于，步骤S3相位识别的过程如下：在CPLD内设计异步清零的计数器，由计数器对所述相位调整后的方波信号在一个周期内的相位信息进行计数。
4.根据权利要求3所述的变频器软启动方法，其特征在于，所述计数器的清零信号为所述经相位调整后方波信号的上升沿。
5.根据权利要求1所述的变频器软启动方法，其特征在于，步骤S4频率计算的过程如下：对所述相位调整后的方波信号的方波个数进行计数。
6.根据权利要求5所述的变频器软启动方法，其特征在于，步骤S4对方波个数进行计数时，在相位调整后的方波信号的每一个上升沿计数加1。
7.根据权利要求1所述的变频器软启动方法，其特征在于，步骤S5的控制由主控微处理器完成，由CPLD获取的相位和频率信息放置于CPLD和主控微处理器的总线上供主控微处理器读取。
8.根据权利要求7所述的变频器软启动方法，其特征在于，所述主控微处理器实时读取总线上的频率信息，主控微处理器控制变频器输出电压频率使其等于所读取的频率信息，当变频器输出电压频率达到所读取的频率信息时锁定；锁定之后，主控微处理器实时读取总线上的相位信息，并与当前变频器输出电压的相位作比较，调整变频器输出电压的相位，使其向所读取的相位信息靠拢，当两者达到同相时锁定变频器输出电压。
9.根据权利要求7或8所述的变频器软启动方法，其特征在于，当CPLD持续若干微秒未检测到方波信号时，CPLD判定为锁相故障，向主控微处理器输出中断信号，主控微处理器停止变频器输出。
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