CN105471085A - 一种工变频切换控制方法、装置及高压变频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工变频切换控制方法、装置及高压变频器。其中，所述工变频切换控制方法包括：获取高压变频器的运行频率；当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；判断所述锁相处理是否成功；如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。本发明性能可靠、简单地实现工变频无扰切换，且在高压变频器工变频切换中的电机不失电，电流无冲击。

Description

一种工变频切换控制方法、装置及高压变频器
技术领域
本发明涉及高压变频技术领域，特别涉及一种工变频切换控制方法、装置及高压变频器。
背景技术
随着变频调速技术的发展，变频器已作为主要的节能和调速设备被广泛推广。目前，高压变频器已经越来越广泛地应用于大型风机和泵类的高压电机拖动系统中，它不仅具有减少启动电流的软启功能，还具有显著的节能效果。有些工况对负载的供电要求比较严格，一旦投入运行就不允许停机，这种情况下一旦供电电源发生故障或者供电电源需要检修，就需要进行两路供电电源，即高压变频器电源与工频电源之间的相互切换。
高压变频器与工频电源之间常用的切换方式分为异步切换和同步切换。根据切换过程中是否需要变频器电压与工频电源电压时刻保持同幅、同频、同相，可将同步切换分为有扰切换即先切后投和无扰切换即先投后切。
现有技术中有扰切换，是指先切后投的切换，在切换过程中负载存在失电过程，转速和电流都存在扰动。工变频有扰切换的电路结构图如图1所示。下面结合图1，简单描述一下有扰切换的过程。在由工频电源切换到变频电源时，高压真空接触器KM3断开，此时电机处于失电状态，当检测点1检测到电机残压的上升沿时，向变频器发出指令，此时变频器按照残压的频率、幅值和相位输出。在由变频电源切换到工频电源时，变频器先升频到50.5Hz，当检测点3检测到工频电压的上升沿时，停止变频器，分断高压真空接触器KM2，闭合KM3，由于真空接触器的合闸时间有几百ms，所以电机也存在短暂的失电状态。
然而，现有技术中在先切后投的有扰切换方式中,检测到变频电源与工频电源的频率差、相位差、幅值差小于规定误差后,从切除到再投仍有一定的时间差(二次回路和主回路上电器的动作时间所致),从而导致真正切换时刻变频电源与工频电源的相位存在偏差,因而还会有一定的冲击电流。如果此时电机的负载较重，电机失速会很严重且很难保证切换过程中的电流冲击，会对电机、变频器甚至电网的安全造成威胁。
现有技术中无扰切换，是指先投后切的切换，在切换过程中负载供电不存在扰动，切换过程平稳、无冲击。无扰切换的实现中很关键的一个技术就是锁相算法的设计。
在基于dq坐标变换的锁相环设计，其软件改动比较大，需要在原有变频器控制原理的基础上要增加坐标变换和比例、积分、微分(Proportion、Integral、Differential，简称PID)控制算法，加大了软件算法的复杂性；与此同时，对硬件要求也比较严格，要求采集三相工频电压和变频电压的瞬时波形，大大增加了开发成本和开发周期。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种工变频切换控制方法、装置及高压变频器。
依据本发明的一个方面，本发明提供了一种工变频切换控制方法，该方法包括:
获取高压变频器的运行频率；
当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；
当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；
判断所述锁相处理是否成功；
如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。
其中，所述如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换步骤，具体包括：
接收闭合工频真空接触器的指令；
获取所述工频真空接触器闭合状态信息；
如果所述工频真空接触器闭合状态信息为闭合，则停止所述高压变频器运行，并发送打开分频真空接触器指令，以便所述分频真空接触器打开，完成所述工变频切换。
其中，所述当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理的步骤，具体包括：
获取所述工频电源信号；
如果所述工频电源信号的频率和幅值在预设置范围内，则所述高压变频器升频至所述工频频率与锁相频率误差和的频率处，所述高压变频器输出电压逐渐逼近工频电压V工；
在所述工频电源信号的上升沿，判断所述高压变频器的输出信号的角度是否在预设范围内；
如果不在预设范围内，则继续以所述工频频率与锁相频率误差和追踪工频相位，且实时调整所述高压变频器输出电压为所述工频电压V工；
如果在预设范围内，则校正所述高压变频器的输出角度为θ0，变频频率等于所述工频频率。
其中，在所述工频电源信号的上升沿，所述高压变频器的输出信号的角度在预设范围内度即可判读所述锁相处理成功。
其中，所述工变频切换控制方法在切换过程中负载电机不失电，存在工频电源和高压变频器电源同时与负载电机连接状态。
依据本发明的另一个方面，本发明提供了一种工变频切换控制装置，该装置包括：
频率获取单元，用于获取高压变频器的运行频率；
状态信息获取单元，用于当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；
锁相处理单元，用于当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；
判断单元，用于判断所述锁相处理是否成功；
切换处理单元，用于如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。
其中，所述切换处理单元，还用于接收闭合工频真空接触器的指令；获取所述工频真空接触器闭合状态信息；如果所述工频真空接触器闭合状态信息为闭合，则停止所述高压变频器运行，并发送打开分频真空接触器指令，以便所述分频真空接触器打开，完成所述工变频切换。
其中，所述锁相处理单元，还用于获取所述工频电源信号；如果所述工频电源信号的频率和幅值在预设置范围内，则所述高压变频器升频至所述工频频率与锁相频率误差和的频率处，所述高压变频器输出电压逐渐逼近工频电压V工；在所述工频电源信号的上升沿，判断所述高压变频器的输出信号的角度是否在预设范围内；如果不在预设范围内，则继续以所述工频频率与锁相频率误差和追踪工频相位，且实时调整所述高压变频器输出电压为所述工频电压V工；如果在预设范围内，则校正所述高压变频器的输出角度为θ0，变频频率等于所述工频频率。
依据本发明的再一个方面，本发明提供了一种高压变频器，所述高压变频器包括：移相变压器、功率单元、主控制器；其特征在于，所述主控制器包括：如上所述工变频切换控制装置。
其中，所述主控制器通过电压传感器LV100和高压电阻串联的支路采集所述高压变频器输出电压；
所述主控制器通过电压互感器PT检测所述工频电源电压。
本发明的有益效果是：本发明技术方案通过获取高压变频器的运行频率；当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；判断所述锁相处理是否成功；如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。采用本发明技术方案可以可靠、简单地实现工变频无扰切换，且在高压变频器工变频切换中的电机不失电，电流无冲击。
附图说明
图1是现有技术中一种工变频有扰切换的电路结构图；
图2是本发明提供一种工变频切换控制方法流程图；
图3是本发明提供的一种工变频切换控制方法中锁相环控制流程图；
图4是本发明提供的一种工变频切换控制装置结构示意图；
图5是本发明提供的一种高压变频器结构示意图；
图6是本发明提供的一高压变频器中工变频无扰切换的主回路电路结构示意图；
图7是本发明提供的一种高压变频器中信号采集和处理电路结构示意图；
图8是本发明提供的一种工变频切换控制方法中锁相环控制的具体实现程序流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
本发明提供了一种工变频切换控制方法、装置及高压变频器。
图2是本发明提供的一种工变频切换控制方法流程图；所述工变频切换控制方法，在工变频切换控制功能启动后，执行以下操作：
201：获取高压变频器的运行频率；例如：高压变频器的运行至频率50Hz；
202：当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；设所述预设置值为50Hz，则此时，所述高压变频器的运行频率达到预设置值，则获取当前高压变频器内各个接触器状态信息，通过所述各个接触器状态信息判断各个接触器是否准备好，若有状态异常，报警并退出；如果所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常，则执行如下步骤203。
203：当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；
204：判断所述锁相处理是否成功；
205：如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。该步骤具体包括：接收闭合工频真空接触器的指令；获取所述工频真空接触器闭合状态信息；如果所述工频真空接触器闭合状态信息为闭合，则停止所述高压变频器运行，并发送打开分频真空接触器指令，以便所述分频真空接触器打开，完成所述工变频切换。
基于以上实施例，如图3所示是本发明提供的一种工变频切换控制方法中锁相处理的流程图；所述锁相处理的流程包括：
301：获取所述工频电源信号；
302：如果所述工频电源信号的频率和幅值在预设置范围内，则所述高压变频器升频至所述工频频率f工与锁相频率误差Δf0和的频率处，即f工+Δf0，所述高压变频器输出电压逐渐逼近工频电压V工；
所述预设置范围内是指所述工频电源信号的频率f工在49.5Hz～50.5Hz,幅值在95％～105％之间。所述Δf0为一个很小的值，其取值取决于系统对锁相速度的要求；V工为工频电压有效值。
303：在所述工频电源信号的上升沿，判断所述高压变频器的输出信号的角度是否在预设范围内；
304：如果不在预设范围内，则继续以所述工频频率与锁相频率误差和，即f工+Δf0踪工频相位，且实时调整所述高压变频器输出电压为工频电压V工；
305：如果在预设范围内，则校正所述高压变频器的输出角度为θ0，变频频率等于工频频率f工。
需要说明的是，因为变频电源信号与工频电源信号的相位不可能做到完全一致，当两者的相位差处于允许误差的范围之内时就进行工频合闸操作，即所述输出角度为θ0在预设误差范围内即可，所述误差范围取值取决于系统的软硬件误差。
需要说明的是，在所述工频电源信号的上升沿，所述高压变频器的输出信号的角度在预设范围内度即可判读所述锁相处理成功。所述工变频切换控制方法在切换过程中负载电机不失电，存在工频电源和高压变频器电源同时与负载电机连接状态。
如图4所示，为本发明实施例提供的一种工变频切换控制装置结构示意图；该装置包括：
频率获取单元401，用于获取高压变频器的运行频率；
状态信息获取单元402，用于当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；
锁相处理单元403，用于当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；
判断单元404，用于判断所述锁相处理是否成功；
切换处理单元405，用于如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。
需要说明的是，所述切换处理单元，还用于接收闭合工频真空接触器的指令；获取所述工频真空接触器闭合状态信息；如果所述工频真空接触器闭合状态信息为闭合，则停止所述高压变频器运行，并发送打开分频真空接触器指令，以便所述分频真空接触器打开，完成所述工变频切换。
还要说明的是，所述锁相处理单元，还用于获取所述工频电源信号；如果所述工频电源信号的频率在预设置范围内，则所述高压变频器升频至所述工频频率与锁相频率误差和，即f工+Δf0处，所述高压变频器输出电压逐渐逼近工频电压V工；在所述工频电源信号的上升沿，判断所述高压变频器的输出信号的角度是否在预设范围内；如果不在预设范围内，则继续以所述工频频率与锁相频率误差和，即f工+Δf0追踪工频相位，且实时调整所述高压变频器输出电压为工频电压V工；如果在预设范围内，则校正所述高压变频器的输出角度为θ0，变频频率等于f工。
如图5所示，为本发明实施例提供的一种高压变频器结构示意图；该高压变频器包括：移相变压器501、功率单元502、主控制器503；所述主控制器503包括：如上所述工变频切换控制装置。
其中，所述主控制器通过电压传感器LV100和高压电阻串联的支路采集所述高压变频器输出电压；所述主控制器通过电压互感器PT检测所述工频电源电压。
本发明的有益效果是：本发明技术方案通过获取高压变频器的运行频率；当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；判断所述锁相处理是否成功；如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。采用本发明技术方案可以可靠、简单地实现工变频无扰切换，且在高压变频器工变频切换中的电机不失电，电流无冲击。
基于以上实施例，以下对本发明技术方案的实现原理进行详细说明；具体如下：
本发明技术方案高压变频器同时检测变频电源和工频电源的幅值、频率和相位，当两种电源的频率差、相位差、幅值差小于规定误差时,锁定当前工频电压进行切换，采用先投后切的方案，实现无扰动切换。所述规定误差为一个很小的值，其取值取决于系统对锁相速度的要求。
本发明技术方案中的高压变频器的主拓扑结构包括：移相变压器、功率单元和主控制器；所述移相变压器采用延边三角形绕法，可有效滤除输入电流谐波，对电网侧不产生谐波污染；所述移相变压器副边侧多绕组分别为各功率单元供电，使各功率单元的输入电源相互隔离；各相的多个功率单元输出侧直接串联起来，最终形成三相平衡的高电压输出，输出电压规格与每相串联的功率单元个数以及各功率单元母线电压大小有关，视实际需求而定，通常多为6kV或者10kV；所述主控制器完成对高压变频器输出的控制运算、输出电流信号的采样、故障处理以及控制命令的下发。
图6所示为本发明提出的工变频无扰切换的主回路结构示意图，所述高压变频器的输入端经过进线开关QS1和高压真空接触器KM1与工频电源连接；所述高压变频器的输出端依次经过出线开关QS2、三相输出滤波电抗器L和高压真空接触器KM2与负载电机连接，在这条支路上，通过电压传感器LV100和高压电阻采集变频器输出电压的幅值、相位和频率；工频真空接触器KM3串接在工频电源和负载电机之间，在这条支路上，通过电压互感器PT检测工频电源的幅值、相位和频率。
如图7为高压变频器中信号采集和处理电路结构示意图。所述高压变频器主要包括核心芯片CPLD、采样芯片AD、数字量输入/输出模块和光电转换模块。所述采样芯片AD采集变频器输出电压的有效值和工频电源电压信号的有效值、数字量输入/输出模块实现与可编程逻辑控制器输入输出接口的连接、光电转换模块实现与所述主控制器的信号传递。
如图8所示，为本发明提供的一种工变频切换控制方法流程，该控制方法具体包括：
步骤1：检测工频电源信号是否满足要求。
步骤2：变频器按照频率等于f工+Δf0、电压等于V工输出，去追踪工频电压相位；其中：f工为工频频率；Δf0为一个很小的值，其取值取决于系统对锁相速度的要求；V工为工频电压有效值。
步骤3：在工频电源信号的上升沿，检查变频器输出角度是否满足要求；如果不满足，变频频率继续以f工+Δf0追踪工频相位，与此同时，判断所述工频幅值和变频幅值的误差是否在一定误差范围内，该误差范围是ΔV，具体的讲是指工频幅值V工与变频幅值V变的差的绝对值小于ΔV，即|V工-V变|<ΔV；如果所述工频幅值V工与变频幅值V变的差的绝对值小于ΔV，则实时调整变频电压等于V工；如果所述工频幅值V工与变频幅值V变的差的绝对值不小于ΔV，则异常告警。
在工频电源信号的上升沿，检查变频器输出角度是否满足要求，具体的讲，变频器输出角度在θ0与θ1之间，则校正变频器的输出角度为θ0，变频频率等于f工，因为变频电源与工频电源的相位不可能做到完全一致，当两者的相位差处于允许误差的范围之内时就进行工频合闸操作，因为是在工频上升沿，所以工频相位是0，所以θ0与θ1之间也可以理解为允许的变频角度范围，只要变频的角度在θ0与θ1之间之内都认为锁相成功；所述θ0与θ1之间的取值取决于系统的软硬件误差。
步骤4：发送闭合交流接触器KM3的指令，闭合KM3。
步骤5：判断KM3闭合是否成功，如果闭合成功，则停止变频器，锁相过程结束。
步骤6：如果还没有闭合；此处所述的还没有闭合是指在闭合的过程中继续检测角度是否满足，而非闭合失败的情况，则在工频电源信号的上升沿，检查变频器输出角度是否满足要求；如果不满足，发出异常告警；如果满足，则校正变频器的输出角度为θ0，变频频率等于f工，然后继续判断KM3闭合是否成功，继续步骤5和6。
需要说明的是，如果合闸过程中如果相位差大，会有电流冲击，所以设计的就是合闸过程中有大的相位差就异常报警退出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种工变频切换控制方法，其特征在于，包括：
获取高压变频器的运行频率；
当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；
当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；
判断所述锁相处理是否成功；
如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。
2.如权利要求1所述的工变频切换控制方法，其特征在于，所述如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换步骤，具体包括：
接收闭合工频真空接触器的指令；
获取所述工频真空接触器闭合状态信息；
如果所述工频真空接触器闭合状态信息为闭合，则停止所述高压变频器运行，并发送打开分频真空接触器指令，以便所述分频真空接触器打开，完成所述工变频切换。
3.如权利要求2所述的工变频切换控制方法，其特征在于，所述当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理的步骤，具体包括：
获取所述工频电源信号；
如果所述工频电源信号的频率和幅值在预设置范围内，则所述高压变频器升频至所述工频频率与锁相频率误差和的频率处，所述高压变频器输出电压逐渐逼近工频电压V工；
在所述工频电源信号的上升沿，判断所述高压变频器的输出信号的角度是否在预设范围内；
如果不在预设范围内，则继续以所述工频频率与锁相频率误差和追踪工频相位，且实时调整所述高压变频器输出电压为所述工频电压V工；
如果在预设范围内，则校正所述高压变频器的输出角度为θ0，变频频率等于所述工频频率。
4.如权利要求3所述的工变频切换控制方法，其特征在于，在所述工频电源信号的上升沿，所述高压变频器的输出信号的角度在预设范围内度即可判读所述锁相处理成功。
5.如权利要求4所述的工变频切换控制方法，其特征在于，所述工变频切换控制方法在切换过程中负载电机不失电，存在工频电源和高压变频器电源同时与负载电机连接状态。
6.一种工变频切换控制装置，其特征在于，包括：
频率获取单元，用于获取高压变频器的运行频率；
状态信息获取单元，用于当所述高压变频器的运行频率达到预设置值时，获取当前高压变频器内各个接触器状态信息；
锁相处理单元，用于当所述当前高压变频器内各个接触器状态信息都正常时，将进行锁相处理；
判断单元，用于判断所述锁相处理是否成功；
切换处理单元，用于如果锁相处理成功，则停止所述高压变频器的运行，完成工变频切换。
7.如权利要求6所述的工变频切换控制装置，其特征在于，所述切换处理单元，还用于接收闭合工频真空接触器的指令；获取所述工频真空接触器闭合状态信息；如果所述工频真空接触器闭合状态信息为闭合，则停止所述高压变频器运行，并发送打开分频真空接触器指令，以便所述分频真空接触器打开，完成所述工变频切换。
8.如权利要求7所述的工变频切换控制装置，其特征在于，所述锁相处理单元，还用于获取所述工频电源信号；如果所述工频电源信号的频率和幅值在预设置范围内，则所述高压变频器升频至所述工频频率与锁相频率误差和的频率处，所述高压变频器输出电压逐渐逼近工频电压V工；在所述工频电源信号的上升沿，判断所述高压变频器的输出信号的角度是否在预设范围内；如果不在预设范围内，则继续以所述工频频率与锁相频率误差和追踪工频相位，且实时调整所述高压变频器输出电压为所述工频电压V工；如果在预设范围内，则校正所述高压变频器的输出角度为θ0，变频频率等于所述工频频率。
9.一种高压变频器，包括：移相变压器、功率单元、主控制器；其特征在于，所述主控制器包括：如权利要求6至8中任意一项所述工变频切换控制装置。
10.如权利要求9所述的高压变频器，其特征在于，所述主控制器通过电压传感器LV100和高压电阻串联的支路采集所述高压变频器输出电压；
所述主控制器通过电压互感器PT检测所述工频电源电压。
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