CN104753408B - 一种大功率电机切换控制系统及切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率电机切换控制系统及切换方法，本方案基于切换控制系统包括控制器、变频器、PLC以及切换动作执行器件构成的大功率电机切换控制系统实现，通过采集工频电源和变频电源输出的频率波形，进行实时跟踪及检测各电源的电压波形过零信号，并监测两组电源过零同相交集，且在各相交同步点实现相位同步切断。本方法让电机在脱离变频器后的电机上电压相序相位和工频电源的相序相位一致，合闸时就能平稳的过渡到工频电源上。

Description

一种大功率电机切换控制系统及切换方法

技术领域

本发明涉及变频电机的控制技术，具体涉及大功率电机的控制切换技术。

背景技术

在多台大功率电机运行的系统中，为减少电机启动电流对电网的冲击，采用一台变频器拖动多台电机的启动方式，电机通过变频启动，当升至50HZ时再切换至工频运行。电机从变频运行切换到工频运行过程中，因为电机变频运行时的电压相位和工频电源的电压相位是随机的，当变频器断开电机后的瞬间，电流变化率最大，感性负载产生很高的感应电势，此时如合上工频电源，两个电源将产生矢量和的压差，此压差产生的电流如超过电源回路的承受的能力时就会跳闸，严重时造成电路器件损毁。

为了防止切换时的这种损毁故障，往往采用在电机断开变频器后，延迟几秒钟甚至几十秒的时间，等感应电势跌落后再合上工频电源。这种延时合闸的方法，虽然可以解决跳闸等问题，但是对被控制对象的参数产生很大的波动。电机在脱开变频器后成自由旋转，高速旋转的电机呈发电状态，由电机的负载决定了延迟的时间，很难把握最佳的合闸时间。对控制平稳性要求较高的对象，将无法满足工艺要求。

发明内容

针对现有大功率电机在变频与工频之间切换时所存在的问题，本发明的目的在于提供一种多台大功率电机切换控制系统，同时还提供一种大功率电机切换方法，以实现大电机从变频平稳过渡到工频。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

目的1：一种大功率电机切换控制系统，该切换控制系统包括控制器、变频器、PLC以及切换动作执行器件，所述控制器采集工频电源、变频电源输出和电机脱离变频器后的感应电势的频率、相位和相序，对各电源的电压波形检测过零点；所述控制器分别跟踪检测工频电源与变频电源输出的过零同步交集和工频电源与电机感应电势的过零同步交集；当控制器监测到各同步点的瞬间按时序要求，分别给变频器发出改变输出频率的命令和给PLC发出切换动作命令；所述变频器在接受到控制器的命令后改变输出频率，以控制调整在断开电机时确保电压相位相序和工频电源一致；所述PLC在接受到控制命令后控制切换动作执行器件进行切换动作，实现按时序切断变频器与电机的连接，确保变频器在突然切断负载时不发生故障报警及控制电机在高速运转时工频电源平稳合闸。

在该控制系统的优选方案中，所述控制器通过变压器耦合取样，采集工频电源、变频电源输出和电机脱开变频器后感应电势的频率和相序。

进一步的，所述控制器对变频电源的输出进行滤波处理，将其还原为正弦信号。

进一步的，所述控制器将采集到的三组信号通过限幅整形提取过零瞬间脉冲信号。

再进一步的，所述控制器通过同相位检测检测工频电源、变频电源输出过零瞬间脉冲信号的同步时刻和工频电源、电机感应电势过零脉冲的同步时刻。

目的2：一种大功率电机切换方法，所述方法通过采集工频电源和变频电源输出的频率波形，进行实时跟踪及检测各电源的电压波形过零信号，并监测两组电源过零同相交集，且在各相交同步点实现相位同步切换。

在切换方法的优选方案中，所述切换方法还采集电机脱离变频器后的感应电势的频率、相位和相序，并在电机切换后，对工频信号和电机感应电势的过零同步信号进行跟踪及检测，实时监测工频信号和电机感应电势的过零同相交集，据此进行相位同步和动作延时补偿。

进一步的，动作延时补偿的时间值通过如下公式确定：

T_补＝T-T_动；

其中，T_补为动作延时补偿值，T_动为接触器动作时间，T为两次过零同步时间。

再进一步的，在检测到第一次同步后，在进行动作延时补偿后，进行电机工频合闸，使得合闸接通瞬间为第二次同步时刻。

本发明提供的方案简单可行，通过本方案能够让电机在脱离变频器后，其上的电压相序相位和工频电源的相序相位一致，合闸时就能平稳的过渡到工频电源上，有效解决现有技术所存在的问题。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明基于实施的工频切换控制系统的示意图；

图2为本发明中控制器的工作原理图；

图3为本发明中工频过零脉冲与电机感生电势过零脉冲的过零同步示意图；

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

基于变频电源和工频电源输出信号的特点，本方案对变频电源的频率进行跟踪，并据此实现变频到工频的平稳过渡。

为此，本方案提供的方法通过采集工频电源和变频电源输出的频率波形，进行实时跟踪及检测各电源的电压波形过零信号，并监测两组电源过零同相交集，且在各相交同步点实现相位同步切断。

据此，再用工频信号和电机感应电势跟踪，实时监测工频信号和电机感应电势的过零同相交集，由此实现相位同步和动作延时补偿合闸。

针对上述原理，以下通过一具体实例来进一步说明：

参见图1，所示为本实例基于实现的工频切换控制系统的示意图。由图可知，整个切换控制系统100主要由控制器101、变频器102、可编程控制器(PLC)103、切换动作执行器件104等相互配合构成。通过该切换控制系统100能够实现一台变频器控制多台大功率电机200的启动切换。

系统中的控制器101采集工频电源、变频电源输出和电机脱离变频器后的感应电势的频率、相位和相序，对各电源的电压波形检测过零点。

控制器101还分别跟踪检测工频电源与变频电源输出的过零同步交集和工频电源与电机感应电势的过零同步交集。当控制器监测到各同步点的瞬间按时序要求，分别给变频器102发出改变输出频率的命令和给PLC(103)发出切换动作命令，由PLC(103)控制切换动作执行器件104，这里的切换动作执行器件104具体可为电机电源切换回路。

变频器102实现在接受到控制器101的命令后改变输出频率，以控制调整在断开电机时确保电压相位相序和工频电源一致。

PLC(103)在接受到控制的命令后通过控制电机电源切换回路(即切换动作执行器件)104实现按时序切断变频器102与电机200的连接，确保变频器在突然切断负载时不发生故障报警及控制电机在高速运转时工频电源平稳合闸。

在切换过程中，切换控制系统中的控制器根据实测相位和相序，严格控制切换时的电压相位、变频器切断负载的时序，基于大功率接触器开合时的消弧时间和动作执行的延时时间，对现场的实时负载进行跟踪检测，在获得电机在满载时断开电源，电机上的电压、频率的跌落状态后，实现切换瞬间的时间补偿。

基于上述的切换控制系统，实现多台大功率电机软启动快速切换的过程如下：

参见图2，控制器通过变压器耦合取样，采集工频电源、变频电源输出和电机脱开变频器后感生电势的频率和相序。由于变频电源输出的是PWM波形，需要通过滤波处理还原为正弦信号。三组电源信号通过限幅整形提取过零瞬间脉冲信号。

控制器通过同相位检测电路，检测工频电源、变频电源输出过零脉冲的同步时刻和工频电源、电机感应电势过零脉冲的同步时刻。

当变频器运行至48Hz以上频率时控制器频率检测电路产生允许切换信号，如此时控制器接收到切换启动命令，控制器将输出变频器49Hz运行命令。工频和变频输出的两个不同频率的正弦波，过零点的相位只有在两个频率周期的公倍数的时刻同时发生，将这两个过零时刻同时出现的脉冲相位与获得同步零位触发脉冲。

该同步零位触发脉冲使控制器输出变频器50Hz运行命令，同时触发一个定时器，产生一个略大于20ms的定时信号(工频周期)。如果在一个工频电源波形周期内产生第二个同步零位脉冲，那就说明两个波形同相同频，定时器在定时到之前连续被同步零位脉冲触发将延长定时周期，在延长的周期时间内执行关闭变频器和切断电机电源的动作，保证在切断变频器电源时电机上的电压和工频电源是同相位同相序的，由此完成一次同步切断电机电源的过程。

电机切断后，针对大功率接触器开合时的消弧时间和动作执行的延时时间，控制器进行延时时间补偿设置。

为此，在电机切断后，控制器将立即检测工频电源与电机感应电势的过零同步信号。脱离电源的电机在载荷和阻尼的作用下转速下降，频率降低，在此转速下降，频率降低过程中，控制器在检测两个过零同步信号的周期，据此获得延迟补偿时间值T(如图3所示)：

T＝T2-T1；

其中，T为延迟补偿时间值，T1为工频过零脉冲与电机感应电势过零脉冲第一次同步时刻，T2为工频过零脉冲与电机感应电势过零脉冲第二次同步时刻。

由此，控制器在测量模式下，检测得到电机在载荷和阻尼的作用下转速下降时的两次同步的时间T。由于大功率接触器动作执行有延时，则需要做时间补偿处理，因此在第一次同步时不能即刻将工频合闸。当检测到时间T后，将控制器置为控制模式，补偿时间：

T_补＝T-T_动；

其中，T_补为动作延时补偿值，T_动为接触器动作时间，T为两次过零同步时间。

据此，控制器在检测到第一次同步脉冲后，经过T_补时间后，发出电机工频合闸信号，确保在合闸接通瞬间为第二次同步时刻，两个电源的相位一致(或在允许相位差范围内)时，工频电源就能平稳的连接到电机，即完成二次同步电机工频合闸过程。

当检测到T小于T_动时，控制器的测量电路将采用T3第三次同步时间来计算T＝T3-T1。

上述的大功率电机切换方案在实际的实验和应用过程中能够取得非常优异的效果，有效实现平稳切换到工频电源运行。以下通过一具体实验来进一步说明本发明方案：

在电机断开电源后，电机的转速下降，感应电势的频率同步下降时，可以计算电机上不同频率时和工频电源的两次同步过零的时间，具体计算结果见表1：

表1

根据计算可以得出电机转速跌落越快，两组电源的过零脉冲同步时间越短。因此电机转速跌落越快切换时间就越短，因而可以实现快速同相位切换。因为合闸时，两个电源必须是在同相序、同相位过零的瞬间，因此必须为工频的整周期过零点时刻。从计算表1可以看出电机无论跌落到何转速，在1秒钟之内电机电压和工频电源总有2次或2次以上的过零同步瞬间。同相位切换保证了各相的相位压差是工频电源的有效电压与电机合闸时感应电势的代数差，完全降低了电机工频合闸时的压差，从而消除了对电网的冲击，实现电机平稳切换到工频电源运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种大功率电机切换控制系统，其特征在于，所述切换控制系统包括控制器、变频器、PLC以及切换动作执行器件，所述控制器采集工频电源、变频电源输出和电机脱离变频器后的感应电势的频率、相位和相序，对各电源的电压波形检测过零点；所述控制器分别跟踪检测工频电源与变频电源输出的过零同步交集和工频电源与电机感应电势的过零同步交集；当控制器监测到各同步点的瞬间按时序要求，分别给变频器发出改变输出频率的命令和给PLC发出切换动作命令；所述变频器在接受到控制器的命令后改变输出频率，以控制调整在断开电机时确保电压相位相序和工频电源一致；所述PLC在接受到控制命令后控制切换动作执行器件进行切换动作，实现按时序切断变频器与电机的连接，确保变频器在突然切断负载时不发生故障报警及控制电机在高速运转时工频电源平稳合闸。

2.根据权利要求1所述的一种大功率电机切换控制系统，其特征在于，所述控制器通过变压器耦合取样，采集工频电源、变频电源输出和电机脱开变频器后感应电势的频率和相序。

3.根据权利要求1所述的一种大功率电机切换控制系统，其特征在于，所述控制器对变频电源的输出进行滤波处理，将其还原为正弦信号。

4.根据权利要求1所述的一种大功率电机切换控制系统，其特征在于，所述控制器将采集到的三组信号通过限幅整形提取过零瞬间脉冲信号。

5.根据权利要求1所述的一种大功率电机切换控制系统，其特征在于，所述控制器通过同相位检测检测工频电源、变频电源输出过零瞬间脉冲信号的同步时刻和工频电源、电机感应电势过零脉冲的同步时刻。

6.一种大功率电机切换方法，其特征在于，所述方法通过采集工频电源和变频电源输出的频率波形，进行实时跟踪及检测各电源的电压波形过零信号，并监测两组电源过零同相交集，且在各相交同步点实现相位同步切换；所述切换方法还采集电机脱离变频器后的感应电势的频率、相位和相序，并在电机切换后，对工频信号和电机感应电势的过零同步信号进行跟踪及检测，实时监测工频信号和电机感应电势的过零同相交集，据此进行相位同步和动作延时补偿。

7.根据权利要求6所述一种大功率电机切换方法，其特征在于，动作延时补偿的时间值通过如下公式确定：

T_补＝T-T_动；

其中，T_补为动作延时补偿值，T_动为接触器动作时间，T为两次过零同步时间。

8.根据权利要求6所述一种大功率电机切换方法，其特征在于，在检测到第一次同步后，在进行动作延时补偿后，进行电机工频合闸，使得合闸接通瞬间为第二次同步时刻。