CN105656389B - 一种工频与变频切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异步电机控制技术领域，具体为一种工频与变频切换方法，其可以实现电机变频运行与工频运行的双向切换不产生冲击电流，能耗低，适用范围广，其方案如下所述：侦测工频电源电压的相序和变频器输出电压的相序并计算相位差，调节变频器输出电压的相序使相位差小于5°时，进行工频到变频切换或变频到工频切换。

Description

一种工频与变频切换方法

技术领域

本发明涉及异步电机控制技术领域，具体为一种工频与变频切换方法。

背景技术

交流异步感应电动机在传动产业市占率高达70％以上。一般在使用异步感应电机，多会搭配调速用的变频器，主要作用降低启动瞬间的电流，避免过流跳闸。电机启动运行到额定频率(一般为工频50Hz)时，使用变频器的意义不大，甚至带来更多的副作用。例如耗能(变频器本身)，电网谐波破坏(整流)，电机温度升高(PWM载波)，降低设备寿命(变频器持续运行)等，故电机在额定运行时，最好的驱动方式是直接使用工频电。被变频器拖动的电机，断电瞬间，其内部会产生感应电动势。在切换到工频电时，如果感应电动势与工频相位差异太大，则会发生的很大的冲击电流。

传统的交流异步电机由变频器切换到工频，通常会采用几种方式：

1.延长时间法：电机由变频器断电后，等待一段时间(一般由1s-5S,视电机功率而定)，待电机断电后的感应电动势消失后，再切换到工频。此方法适用于电机拖动中惯量负载的应用场合，例如:小风机水泵、空压机等。采用这种方式的最大缺点为，负载会因为等待的时间较长，产生掉速的情况。故仅适用于惯性中负载，大惯性等其它不适用。

2.提速+延长时间法：此方法是根据延长时间法的改良，主要也是针对大惯量场而设计。改方法改良了负载会因掉速问题，故在切换 前变频器刻意将拖动的电机进行提速(一般可以提速到10％)，后再进行切换，目的在切换点电机的转速频率可以与工频同步，减少冲击电流。此方式的最大缺点为提速的百分比不好量化。因为电机功率越大，提的速也相对需要越高，且提速与负载特性也有关系。另外某些机械装置不允许电机超过额定转速，且对于主动性负载应用场合也不适用。

3.回路串入电感法：在回路里串入一合适电感，在变频器切换延后，将其短路。目的也是为了更快速释放电机内部断电后残留的感应电动势，缩短延时时间。此方法最大缺点，除了时间不好控制外，串入的电感及其昂贵的成本与笨重的体积，也是让许多用户困扰的问题。

以上总结，为了降低冲击电流，传统对策是让电机内部的感应电动势消失或降低，来减低冲击电流发生。不管是通过延长时间来等待感应电动势消失，或提速减小滑差﹑还是回路加入电感等，都是希望得到切换瞬间冲击电流小的结果。但延长时间△T越长，虽可让感应电动势△E降的越小；但同时也带来负载掉速△ω越多，电机滑差△S越大，最终还是导致有大冲击电流的副作用。另外提速△ω虽然可以缓和下掉速的问题，但速度提高，输出电压也提高，电机瞬间断电后残留的感应电动势△E也相对提高了，同样也带来反效果。所以传统变频切工频方式，不管采用延长时间△T，提速运行△ω，回路串电感等策略，对冲击电流的抑制效果是有限。

另一种情况，当电机由工频切换到变频器，此刻间电机转子因为惯性负载持续运转。变频器的输出频率必须与此刻的电机转子频率相等或接近，负载才可以维持惯性运行原来的速度。倘若变频器输出频 率与电机转子速度差异太大，电机拖动的负载会有掉速的情况发生。在许多应用是不允许的。

传统的交流异步电机由工频切换到变频器，通常会采几种方式：

1.额定频率输出法：电机由工频断电，等待时间(一般由1s-10S,视电机功率而定)，待电机感应电动势消失后，再切换到变频器输出端。变频器输出约额定频率继续拖动电机。此方法仅适用中/小功率的低端应用场合。其他主动性负载或不允许掉速的大惯性应用不适用。

2.编码器闭环回馈：把感应电动机的转子转速，通过编码器等设备，将物理量数据转换成电子讯息，最后反馈给变频器端计算得到真实的负载转速。此方法运用在些高精度的应用均如此设计，但缺点设备成本高。首先感应电机选型必须自带编码器输出的，在者变频器也必须有自带脉冲解码卡(PG卡)的闭环型机种。配置上如果电机与变频器距离较远，反馈编码器线要求也较高。除了伺服行业外，一般不考虑这个方案。

3.霍尔转速追踪法：电机由工频切换到变频后，变频器首先发出短暂且小量的直流电压给电机，电机因而产生电流物理信号，经过变频器上的霍尔(CT)后，得到电压讯号进入变频器内部DSP。进过几次反复取样，DSP通过软件PI估算出目前转子速度后，变频器立即输出估算的频率拖动电机。由于采取估算，故转速误差较大。对于低惯性负载，要求不高的应用，可以接受。但在大负载惯性的应用场合，则无法满足。例如风机﹑水泵﹑离心设备等，滑差过大发生大电流，导致负载掉速，变频器或空开过流跳保护等报警。

以上总结，额定频率直接输出虽简单但只适用小功率小惯性负载。速度追踪则可靠度不佳，追踪能力无法随着负载惯量变化而改变策略。闭环设备的高成本，其闭环控制除了在切换瞬间需要外，其余运行不需要的工况下，似乎也非完美的方案。所以传统工频切变频方式，利用目前业界的策略，效果也都是有限。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种工频与变频切换方法，其可以实现电机变频运行与工频运行的双向切换不产生冲击电流，能耗低，适用范围广。

其技术方案是这样的：一种工频与变频切换方法，其特征在于，侦测工频电源电压的相序和变频器输出电压的相序并计算相位差，调节变频器输出电压的相序使相位差小于5°时，进行工频到变频切换或变频到工频切换。

其进一步特征在于，变频到工频切换方法具体包括以下步骤：

(1)设置两组包含三个电压相序的侦测线路，一组侦测线路侦测工频电源电压的相序，另一组侦测线路侦测变频器输出电压的相序，并送入DSP芯片中；

(2)DSP芯片中的计时器模块完成工频电源电压与变频输出电压的相位差的计算处理；

(3)当相位差大于等于5°时，通过DSP芯片内部的PWM模组调节变频器输出电压的频率，重复步骤(2)；当相位差小于5°时，电机由变频器驱动切换到工频电源驱动。

其更进一步特征在于，变频到工频切换方法中，步骤(1)里侦测到的工频电源电压的相序和变频器输出电压的相序送入DSP芯片前先进行分压步骤、整流步骤和数值化步骤得到数值化的开关信号；

分压步骤通过分压步骤使电压等比例缩小，整流步骤通过二极管器件得到正向波并去除负向波，数值化步骤通过作为比较器输出的三极管电路得到数值化开关信号。

工频切换变频方法包括以下步骤：

①工频电源切断与电机的连接，并将电机切换到变频器输出端，变频器输出一个小电流到正在飞车的电机上，通过三个霍尔估测得到电机相位角度△ω^a，接着变频器调整输出频率至与估测的电机的频率一致；

②侦测变频器输出转速ω得到变频器输出电压的相位，与工频电源的相位比较相减得到相位差u；

③当相位差u≥5°时，将步骤②中的相位差u和参数λKp送入相位PI控制器，得到参数λKi与λKd，其中λKp＝de/dt，即e对时间t的微分，e为转速命令W与变频器输出转速ω的差值，λ为系数，将λKp、λKi、λKd、差值e送入变频器内部的PI控制器，得到调整后的变频器的输出转速，重复步骤②和③，当相位差u＜5°时，电机由工频电源驱动切换到变频器驱动。

工频切换变频方法中，步骤①里，若△ω^a是负值，则提高变频器的输出频率，反之则降低。

工频切换变频方法中，在步骤①之前还包括负载惯性自学习，其 包括以下步骤：

a.电机拖动负载，进行低频运转、减速运转、正转逆转运行，通过变频器的电流传感器将做上述运行时的电流和电流变化量记录下来；

b.根据多个频率段的电流变化量，推估电机负载的惯量。

采用本发明的方法后，在变频切换到工频时，因为已经计算到工频电源电压的相序和相位差，所以调变变频器输出频率到相位差△θ小于5°时即接近于0°，表示可以与工频同步，此时进行切换动作，电机由变频器输出切换到电源工频端，因为相位同步关系，所以冲击电流会很小；在工频切换到变频时，通过相位PI控制器，变频器会输出与工频电压频率相位一致，因为频率与相位同步关系，不会有冲击电流产生。

附图说明

图1为变频切换工频方法流程示意图；

图2为工频切换变频方法流程示意图；

图3为工频切换变频方法中控制方块示意图；

图4为本发明系统配置示意图；

图5为技术指标示意图；

图6为分压步骤、整流步骤和数值化步骤使用的电路图。

具体实施方式

见图1所示，一种工频与变频切换方法，其包括变频切换工频方法和工频切换变频方法，变频切换工频方法包括以下步骤：

(1)设置两组包含三个电压相序的侦测线路，一组侦测线路侦测工频电源电压(R,S,T)的相序，另一组侦测线路侦测变频器输出电压(U,V,W)的相序，将侦测的两组相序输入到DSP芯片中；分压步骤、整流步骤和数值化步骤的电路图见图6所示；

(2)通过DSP芯片内部的Timer计时器计算工频电源电压与变频输出电压的相位差△θ；

(3)当相位差△θ≥5°时，通过DSP芯片内部的PWM模组调节变频器输出电压的频率，重复步骤(2)；当相位差△θ＜5°时，电机由变频器驱动切换到工频电源驱动；因为相位同步关系，所以冲击电流Im会很小。

冲击电流Im的大小，可以从以下物理数据观测出原因。包含电机感应电动势的相位角与频率ω和工频比较，理论上相位角差值与频率差△ω值可以决定冲击电流大小。

以下表说明。

一般来说，冲击电流Im幅值在电机额定电流Io内是业界认为好的。

2倍电机额定是可以被接受的(空开与变频器不会跳闸)

3倍电机额定是不可以允许的(变频器会跳报警)

3倍以上是差的(空开与变频器均跳闸)

本发明在变频切工频技术上，目前可以控制在1.5倍电机额定电流以内。平均在1.2倍电机额定电流左右，相位差在5°内。

技术数据：

现在采用315kw电机当做基础进行试验开发。电机的参数如下表：

电机技术参数	规格数据
		额定功率	Po＝315kw
额定电流	Io＝650Arms
		额定电压	Vo＝380VAC
拖动惯量	Jm＝1000m^2

系统配置：采用760kw变频器拖动315kw电机，见图4所示，试验达到的技术指标见图5所示，结论为：感应电动势与工频相位差5°的情况下，冲击电流为566A，在额定电流650A内。

见图2，图3所示，工频切换变频方法包括以下步骤：

①频电源切断与电机的连接，并将电机切换到变频器输出端，变频器输出一个小电流，小电流数值大小约电机额定电流10％左右，输出到飞车的电机上，通过三个霍尔估测得到电机相位角度△ω^a，接着变频器调整输出频率至与估测的电机的频率一致；

②侦测变频器输出转速ω得到变频器输出电压的相位，与工频电源的相位比较相减得到相位差u；

③当相位差u≥5°时，将步骤②中的相位差u和参数λKp送入相位PI控制器，得到参数λKi与λKd，其中λKp＝de/dt，即e对时间t的微分，e为转速命令W与变频器输出转速ω的差值，λ为系数，将λKp、λKi、λKd、差值e送入变频器内部的PI控制器，得到调整后的变频器的输出转速，重复步骤②和③，当相位差u＜5°时，电机由工频电源驱动切换到变频器驱动。

上述参数中，切换前相位PI控制器内部P与I系数Kp值为300，Ki值为800，切换瞬间因为要完成快速调速功能，故λKp＝600，λKi＝100，λKd一般取值为0。

在本发明的工频切换变频方法中，还增加对负载惯性做自学习，其通过以下过程来实现：

a.电机拖动负载，进行低频运转、减速运转、正转逆转运行，通过变频器的电流传感器将做上述运行时的电流和电流变化量记录下来；

b.根据多个频率段的电流变化量，频率可以选择5Hz，15Hz，25hz，35Hz，50hz等几个，然后推估电机负载的惯量。

通过上述负载惯性自学习，可以得到以下好处：首先，因为知道负载惯性,在电机运行过程，需要变换速度时，可以知道什么样的加速、减速，避免系统机台的震动、噪音，主要就是要让电机运行平顺；通过知道负载惯性，也可以推估变频器在步骤①中最多只需要输出多 少电压，一方面维持速度运行，一方面节能。

本发明的工变频双向切换，自动化程度高，解决调速时使用变频﹑额定运行时使用工频之时序自动切换技术瓶颈。可有效完成节能﹑降低冲击电流，避免跳匝﹑与破坏电网谐波等问题。

当采用本发明的工变频双向切换多联机柜，可完成多台大电机拖动负载，启动的瞬间大电流,电源容量瞬时容量超负荷﹑或开关跳匝等问题。通过工变频双向切换多联机柜,时序控制将电机逐一启动，且逐一并联到工频电网，完成多联机并联电网的启动与停止。

Claims (5)

1.一种工频与变频切换方法，其特征在于，侦测工频电源电压的相序和变频器输出电压的相序并计算相位差，调节变频器输出电压的相序使相位差小于5°时，进行工频到变频切换或变频到工频切换；变频到工频切换方法具体包括以下步骤：

(1)设置两组包含三个电压相序的侦测线路，一组侦测线路侦测工频电源电压的相序，另一组侦测线路侦测变频器输出电压的相序，并送入DSP芯片中；

(2)DSP芯片中的计时器模块完成工频电源电压与变频输出电压的相位差的计算处理；

(3)当相位差大于等于5°时，通过DSP芯片内部的PWM模组调节变频器输出电压的频率，重复步骤(2)；当相位差小于5°时，电机由变频器驱动切换到工频电源驱动；

工频到变频切换方法包括以下步骤：

①工频电源切断与电机的连接，并将电机切换到变频器输出端，变频器输出一个小电流到正在飞车的电机上，通过三个霍尔估测得到电机相位角度△ω^a，接着变频器调整输出频率至与估测的电机的频率一致；

②侦测变频器输出转速ω得到变频器输出电压的相位，与工频电源的相位比较相减得到相位差u；

③当相位差u≥5°时，将步骤②中的相位差u和参数λKp送入相位PI控制器，得到参数λKi与λKd，其中λKp＝de/dt，即e对时间t的微分，e为转速命令W与变频器输出转速ω的差值，λ为系数，将λKp、λKi、λKd、差值e送入变频器内部的PI控制器，得到调整后的变频器的输出转速，重复步骤②和③，当相位差u＜5°时，电机由工频电源驱动切换到变频器驱动。

2.根据权利要求1所述的一种工频与变频切换方法，其特征在于，变频到工频切换方法中，步骤(1)里侦测到的工频电源电压的相序和变频器输出电压的相序送入DSP芯片前先进行分压步骤、整流步骤和数值化步骤得到数值化的开关信号。

3.根据权利要求2所述的一种工频与变频切换方法，其特征在于，分压步骤通过分压步骤使电压等比例缩小，整流步骤通过二极管器件得到正向波并去除负向波，数值化步骤通过作为比较器输出的三极管电路得到数值化开关信号。

4.根据权利要求1所述的一种工频与变频切换方法，其特征在于，工频到变频切换方法中，步骤①里，若△ω^a是负值，则提高变频器的输出频率，反之则降低。

5.根据权利要求4所述的一种工频与变频切换方法，其特征在于，工频到变频切换方法中，在步骤①之前还包括负载惯性自学习，其包括以下步骤：

a.电机拖动负载，进行低频运转、减速运转、正转逆转运行，通过变频器的电流传感器将做上述运行时的电流和电流变化量记录下来；

b.根据多个频率段的电流变化量，推估电机负载的惯量。