CN105656388B - 一种变频器软启动同步并网锁相的实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变频器软启动同步并网锁相的实现方法，包括实时检测、比较电网端频率与电机端频率、以及电网端的电压相位与电机端的电压相位；根据比较结果，调整电机端的频率，使电机端电压和电网端电压的相位差在0.3°的范围内。通过本发明提供的方法可以实现变频器对异步电机或同步电动机软启动同步并网过程中的锁相控制，解决了变频器软启动中的同步并网切换问题。
Description
技术领域
本发明属于变频软启动技术领域，具体涉及到一种变频器软启动同步并网锁相的实现方法。
背景技术
随着工业领域的单台电动机容量的逐步扩大，传统的起动方式越来越不能满足电机起动要求，在市场的影响下，逐渐有一些新的起动方式应运而生，例如用于大中型电机起动用的高压降补固态软起动和高压变频软起动。对于以往的降压软起动设备来说，当起动大型电机时，如果电机起动电流大了，则电网压降就大，影响同一母线下的其他负载；如果电机起动电流较小，则有可能使得电机的拖动转矩克服不了负载的阻转矩，不能够起动负载。所以，必须在电网压降以及电机的转矩之间取得一个平衡，而要取得这种平衡，实际上是很困难的。
在一定的电网条件下，或电机需要扩容时，电机的软起动是一个难点：既要保证原有电网的压降满足要求，又要满足负载的起动要求。在无法满足电网的要求的条件下，就必须新建或是改扩建电力网络，新增电力变压器等一次设备，这需要增加大量的投资。如果采用变频软起动方案，则可以在满足负载要求的情况下同时满足电网的要求，因此一次设备投资额会大大降低。由此，高压变频软起动装置成为了工业领域电机软启动的首选。
近些年市场上面充斥着大量的变频软启动器，不同的变频软启动器的同步并网切换实现方式也各不相同，不同的并网方式也导致了并网过程中冲击电流的大小不同。有的变频软启动器直接采用外置同期装置的方式硬件连锁来实现同步并网，有的采用延时电压跌落的方式来实现同步并网，目前国内外变频软启动器技术已趋成熟，基本可以保证能够实现同步并网切换，但在控制方式和切换效果上仍存在比较大的区别。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种变频器软启动同步并网锁相的实现方法，以实现对电机端和系统端电压相位的实时锁定。
为实现上述目的，本发明提供的变频器软启动同步并网锁相的实现方法包括以下步骤：
实时检测、比较电网端频率与电机端频率、以及电网端的电压相位与电机端的电压相位；
根据比较结果，调整电机端的频率，使电机端电压和电网端电压的相位差在0.3°的范围内。
在本发明的一些实施例中，所述根据比较结果，调整电机端的频率的步骤包括：
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则提高电机端的频率；
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，提高电机端的频率，否则继续降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，降低电机端的频率；否则继续提高电机端的频率。
在本发明的一些实施例中，所述根据比较结果，调整电机端的频率的步骤包括：
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则每个周期20ms的时间降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则每个周期20ms的时间提高电机端的频率；
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则每个周期20ms对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，提高电机端的频率，否则继续降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则每个周期20ms对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，降低电机端的频率；否则继续提高电机端的频率。
在本发明的一些实施例中，通过相位检测回路实时检测所述电网端的电压相位与电机端的电压相位，该相位检测回路采用TL064C和74HC14D芯片搭建，通过对电网端的电压采样信号Ua和电机端的电压采样信号Uu的过零信号的检测来计算电网端和电机端的电压相位差。
在本发明的一些实施例中，所述TL064C用于对电网端的电压采样信号Ua和电机端的电压信号Uu进行放大，所述74HC14D用于对放大信号进行比较，使在输入信号过零点时能够输出3.3V的高电平信号。
在本发明的一些实施例中，所述变频器为多个功率单元串联的电压源型高压变频器，在电机端和变频器端连接有电抗器。
通过本发明提供的方法，变频器软启动过程中电网电压压降基本为0，对电网电压没有任何影响；起动过程中冲击电流控制在电机额定电流30％以内，满足了变频软起动设计要求；起动过程中变频切换工频运行时没有二次电流冲击，同步并网切换功能满足了变频软起动设计要求。由此可见，通过本发明提供的方法可以实现变频器对异步电机或同步电动机软启动同步并网过程中的锁相控制，解决了变频器软启动中的同步并网切换问题。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1为本发明实施例的相位检测电路图；
图2为本发明实施例变频器软启动原理图；
图3为本发明实施例的四种动态相位图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
由于变频器同步并网是否能够成功，以及并网切换过程中冲击电流是否能控制在指定方位内，都取决于相位是否能够稳定的锁定在最小范围内，如果能够锁定相位差，那么就可以实现同步并网，同时也可以控制并网切换在最小的电流范围内，这对变频器的器件选型有很大的影响。如果能够将冲击电流控制在电机额定电流30％以内，那么变频器的成本就可以大量压缩。因此同步并网锁相技术对于变频器的软启动是非常重要的，软启动过程中锁相技术是决定变频器同步并网切换的关键技术。
本发明主要通过对软启动过程中电机端电压相位和电网端电压相位的所有情况进行分解，并针对各种不同的相位情况进行实时动态调整，达到锁相相位的目的。作为本发明的一个实施例，本发明提供的变频器软启动同步并网锁相的实现方法包括以下步骤：
步骤101，实时检测、比较电网端频率与电机端频率、以及电网端的电压相位与电机端的电压相位；
步骤102，根据比较结果，调整电机端的频率，使电机端电压和电网端电压的相位差在0.3°的范围内。
作为本发明的又一个实施例，相位检测回路采用TL064C和74HC14D芯片搭建，通过对电网端的Ua和电机端的Uu电压过零信号的检测来计算电网端和电机端的电压相位差。如图1所示，接入电网端电压信号Ua和电机端电压信号Uu，通过TL064C和74HC14D实现正弦波的过零点检测，从而获取电网端电压和电机端电压的相位差。具体地，将电网端的电压采样信号Ua和电机端的电压信号Uu引入到电路板中，通过TL064C进行信号放大，再通过74HC14D进行比较，确保在输入信号过零点时能够输出3.3V的高电平信号。
参见图2，其为本发明实施例变频器软启动原理图。如图2所示，其为多个功率单元串联的电压源型高压变频器，在电机端和变频器端添加有电抗器用来抑制环流对变频器的影响，并添加了图1所示的相位检测电路。通过检测电路反馈的相位差来实时调整变频器的输出频率，通过快速调整变频器的输出频率和相位差反馈来达到实时控制电机端电压和电网端电压相位一致的目的。具体地，将3.3V的高电平信号引入DSP芯片引脚中，通过300K的时钟进行计算，当电网端Ua过零点时开始计数，如果Uu也过零点，那么计数结束，通过对Ua过零点和Uu过零点的差值进行计算，可以得到电网端和电机端电压的相位差。作为本发明的一个较佳实施例，为了得到更精确的相位差，采用的最大计数值为60000，则可以精确到相位差为360°/60000＝0.006°，最小检测单位为0.006°。
由于在软启动过程中变频器的频率是在不断变化的，同时因为频率的变化以及初始相位的不一致导致了整个过程中电网端电压和电机端电压相位是在不断变化的，因此需要对相位进行实时比较分析。如图3所示，通过对所有情况的分析，可以将整个启动过程中的相位变化分解为以下四种情况：
情况1：当电机端频率大于电网频率，同时电机端电压相位超前于电网电压相位，这种情况下会导致电网和电机端电压相位差角度越来越大；
情况2：当电机端频率小于电网频率，同时电机端电压相位滞后于电网电压相位，这种情况同样会导致电网和电机端相位差角度越来越大；
情况3：当电机端频率大于电网频率，同时电机端电压相位滞后于电网电压相位，这种情况会导致相位差角度会越来越小；
情况4：当电机端频率小于电网频率，同时电机端电压相位超前于电网电压相位，这种情况会导致相位差角度越来越小。
以上四种情况涵盖了整个软启动过程中电机端和电网端电压相位的变化，任何时刻的相位都可以分解成以上四种情况，本发明通过对以上四种情况的不同控制，可以达到锁定相位的目的。
根据以上4种情况的分析，需要通过调整电机端电压相位才能达到和电网端电压相位一致，同时通过实时检测相位差来不断调整电机端电压相位，通过这种方式才能达到锁定相位的目的；对于以上所列出的第一种、第二种情况，由于相位差度角会越来越大，因此需要快速调整电机端的相位，可以通过每个周期20ms的时间对变频器的输出频率进行升频或降频处理；第三种、第四种情况，由于相位角本身会越来越小，因此需要通过对相位差值的进行累加，通过对每个周期20ms的相位差累加和来判断是否升频或降频处理。作为本发明的一个较佳实施例，针对上述四种情况，具体可以如下处理：
情况1：由于相位差角会越来越大，因此通过每个周期20ms的时间调整变频器的输出频率，主要通过降低电机端频率的方式来达到减小相位差的目的，因为这种情况下只有当电机端的频率小于电网的频率，那么相位差才会逐渐减小；
情况2：由于相位差角会越来越大，因此通过每个周期20ms的时间调整变频器的输出频率，主要通过提高电机端频率的方式来达到减小相位差的目的，因为这种情况下只有当电机端的频率大于电网的频率，那么相位差才会逐渐减小；
情况3：由于这种情况下相位差本身角度会越来越小，因此可以每个周期20ms对相位差值进行累加和计算，通过对相位差的累加和来判断是降频还是升频处理，当相位差小于累加和时，提高电机端的频率；否则继续降低电机端的频率，通过这种方式可以实时跟踪和锁定相位；
情况4：由于这种情况下相位差本身角度会越来越小，因此可以通过每个周期20ms对相位差值进行累加和计算，通过对相位差的累加和来判断是降频还是升频处理，当相位差小于累加和时，降低电机端的频率；否则继续提高电机端的频率，通过这种方式可以试试跟踪和锁定相位。
通过对以上4种不同情况的动态调整方法，可以快速的调整电机端电压相位和电网端电压相位一致，达到锁定相位的目的。
通过图2所示的相位分解和动态调整方法，控制逻辑和锁相算法采用DSP芯片，通过DSP的快速运算来实时调整装置的输出电压相位，在软启动同步并网过程中可以可靠地锁定电机端的电压相位，达到电机端相位和电网端相位差在0.3°以内，保证软启动同步并网切换。
本发明通过对软启动过程中电网端电压和电机端电压相位的实时对比分析、以及对电机端频率的实时调整，实时控制电机端和电网端电压的相位角，确保同步并网过程中电机端电压和电网端电压相位差在0.3°的范围内。同时通过对相位的实时调整锁定软启动同步并网的过程中的电压相位，保证在同步并网过程中电网端和电机端电压相位一致，从而实现变频器同步并网切换的目的。
通过本发明提供的方法，变频器软启动过程中电网电压压降基本为0，对电网电压没有任何影响；起动过程中冲击电流控制在电机额定电流30％以内，满足了变频软起动设计要求；起动过程中变频切换工频运行时没有二次电流冲击，同步并网切换功能满足了变频软起动设计要求。由此可见，通过本发明提供的方法可以实现变频器对异步电机或同步电动机软启动同步并网过程中的锁相控制，解决了变频器软启动中的同步并网切换问题。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (5)
1.一种变频器软启动同步并网锁相的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
实时检测、比较电网端频率与电机端频率、以及电网端的电压相位与电机端的电压相位；
根据比较结果，调整电机端的频率，使电机端电压和电网端电压的相位差在0.3°的范围内；
其中，所述根据比较结果，调整电机端的频率的步骤包括：
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则提高电机端的频率；
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，提高电机端的频率，否则继续降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，降低电机端的频率；否则继续提高电机端的频率。
2.根据权利要求1所述的变频器软启动同步并网锁相的实现方法，其特征在于，所述根据比较结果，调整电机端的频率的步骤包括：
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则每个周期20ms的时间降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则每个周期20ms的时间提高电机端的频率；
若电机端频率大于电网端频率，且电机端电压相位滞后于电网端电压相位，则每个周期20ms对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，提高电机端的频率，否则继续降低电机端的频率；
若电机端频率小于电网端频率，且电机端电压相位超前于电网端电压相位，则每个周期20ms对相位差进行累加和计算，当相位差小于累加和时，降低电机端的频率；否则继续提高电机端的频率。
3.根据权利要求1所述的变频器软启动同步并网锁相的实现方法，其特征在于，通过相位检测回路实时检测所述电网端的电压相位与电机端的电压相位，该相位检测回路采用TL064C和74HC14D芯片搭建，通过对电网端的电压采样信号Ua和电机端的电压采样信号Uu的过零信号的检测来计算电网端和电机端的电压相位差。
4.根据权利要求3所述的变频器软启动同步并网锁相的实现方法，其特征在于，所述TL064C用于对电网端的电压采样信号Ua和电机端的电压信号Uu进行放大，所述74HC14D用于对放大信号进行比较，使在输入信号过零点时能够输出3.3V的高电平信号。
5.根据权利要求1所述的变频器软启动同步并网锁相的实现方法，其特征在于，所述变频器为多个功率单元串联的电压源型高压变频器，在电机端和变频器端连接有电抗器。
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