CN106998167A - 一种用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，使用三相反并联晶闸管中的一相或多相的管压降检测，通过对软启动器晶闸管管压降的突变沿检测方法替代传统软启动器控制中采用的直接对电流采样值进行过零检测的方法；利用晶闸管电流为零时，管压降产生突变的电压外特性，利用管压降的突变检测代替直接的电流过零检测。在功率因数角的实时检测中采用MCU的捕获功能对电压方波的过零点进行捕获操作并计算实时的电机功率因数角。同时配合功率因数角补偿修正，得到正确的实时的电机负载功率因数角。较传统的检测方法，准确度大大提高。能够有效地抑制软启动器控制过程中由于电机功率因数角的变化导致电机电流与速度的反复震荡。

Description

一种用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法

技术领域

本发明涉及功率因数检测方法，具体涉及一种用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法。

背景技术

在不需要调速运行场合，异步电机的直接电网工频的应用非常广泛。然而异步电机的直接启动会产生非常大的启动电流，通常瞬时的启动电流可达到7～10倍电机额定电流，强大的电流冲击会引起供电设备的跳闸和对与电机所联接的机械负载产生强大机械应力冲击。

软启动器是电力电子技术及计算机控制技术相结合的典型应用。把软启动器串接在电机与电网中间作为启动器，可以通过对晶闸管对电机的输入电压及电流进行扼流控制，从而在启动时让电机的输入端电压线性上升，或者电流限制在安全范围之内。同样可以在电机停止时均匀地慢慢减小流向电机的电压与电流，控制电机的输出转矩缓慢变小。这样可以抑制电动机直接启动所带来的不利影响。

电动机是一个时变、强耦合的非线性系统。在软启动器中，基于相位控制的晶闸管控制调压技术其发出的电压与电动机负载的功率因数角强相关，由于电机负载为感性负载，晶闸管的实际导通角受电机功率因数角的影响。同时电机的功率因数角又随着电动机的转速变化以及电流大小变化在不断变化中。如果要软启动器对电机的供电受控，电机的端电压符合给定的数值，就需要精确控制晶闸管的导通角，进而需要精确检测功率因数角。

异步电机功率因数角的影响因素非常多，变化也非常剧烈，特别是电机转速对功率因数的影响非常大。对于基于软启动器控制的电机，在不明确电机的数学模型参数、不能实时检测电机的转速的情况下，功率因数角的实时检测技术就尤为重要,是软启动器精度电压输出、稳定电压输出的必要条件。就功率因数的检测方法：

传统的方法之一如图1所示:软启动器功率因数检测方法是分别检测电网侧电压的过零点与流经电机三相中的电流过零点，通过电压与电流过零点之间的相位差的检测得到实时的功率因数角。这种普通的检测方法在软启动器控制应用中由于电流波形畸变严重，最为关键的是，电流的过零点判断阀值没有明显的界限，且对于软启动器用的互感器检测而言，零点附件的电流检测精度很差，导致这种方法实现的功率因数角检测不准确。

传统的方法之二:在软启动器控制中回避功率因数角的实时检测计算，直接应用一个固定的角度曲线(角度对应电流)的电机功率因数角参与晶闸管的相位控制中。然而这一做法可以满足一时之需，但无法在不同的电机，不同的负载转矩，不同的负载惯量的情况下同时满足应用。所以在许多应用场合，通常的软启动器运行都无法避免地出现输出电流的震荡及电机速度的大幅波动，特别是在电机运行于同步速附近，更是如此。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可用于固态软启动器控制的电机功率因数角检测方法，准确度大大提高，能够有效地抑制软启动器控制过程中由于电机功率因数角的变化导致电机电流与速度的反复震荡。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：

对输入电网侧进行三相线电压的过零方法检测，通过差分电路与光耦实现三相线电压的交流信号到方波信号的转变，转变后的与网侧三相线电压正负半周对应的方波弱信号实时地引入软启动器控制器实现过零检测；

与此同时，对三相反并联的晶闸管中的一相进行管压降的检测，并且对反并联晶闸管检测到的电压信号差分后进行整流处理，再经过光耦转变成与晶闸管管压降极性对应的脉冲波信号，将脉冲波信号实时地引入软启动器控制器MCU实现此脉冲波信号的下降沿与上升沿检测，以此下降检测信号与上升沿信号中间时刻点作为相电流过零点时刻；

应用软启动器控制器MCU对上述方波信号和脉冲波信号进行捕获处理，获取线电压与相电流之间的相位差值，进而计算实时功率因数角，并通过补偿修正，得到实时应用软启动器控制的电机负载功率因数角，用于电机启动控制。

进一步的，采用电网侧线电压过零检测电路及晶闸管压降过零检测电路作为功率因数角检测电路。

进一步的，晶闸管压降过零检测电路中采用整流的方式后通过光耦隔离并转化为脉冲波信号送入软启动器控制器MCU进行捕获过零点计算。

进一步的，上述方法包括如下步骤：

Step1：将网侧任意两相线电压转化为方波信号，软启动器控制器MCU捕获方波电压下降沿或者上升沿；CAP中断记录网侧线电压0度相位时刻t₀；

Step2：与Step1同步，将与该任意两相对应的其中一相的软启动器中的反并联晶闸管的管压降进行差分处理后，再整流成正向波再经光耦隔离转变成管压降脉冲波信号；软启动器控制器MCU捕获脉冲电压上升和下降沿，CAP中断记录脉冲电压下降沿时刻t₁、和脉冲波上升沿时刻t_c；

Step3：在脉冲波上升沿时刻t_c中断中检测并计算实时功率因数角；

Step4：对步骤step3的实时功率因数角进行低通滤波处理；

Step5：对硬件的延时进行固定角度的功率因数角补偿，得到补偿后功率因数角；

Step6：判断补偿后功率因数角是否在正常范围之内；如不在正常范围之内则舍弃该结果；如在正常范围，即确定为最终得到的参与应用的功率因数角，继续下一步的相控驱动。

进一步的，Step3中，首先计算方波下降沿与低电平脉冲波的低电平脉冲中间点时刻之间的时间差，从而计算出线电压与相电流之间的相位差值根据电机的不同接法控制，确定相位差值与电机功率因数角关系；

当软启动器所连接的电机M采用三角形外接法控制，也即晶闸管接入线电流输入端，则电机端线电压超前相电压30°角，此时电机的功率因数角为线电压与相电流之间的相位差值减去该超前相电压30°角之差；当软启动器所连接的电机采用三角形内接法控制，也即晶闸接入相电流三角形内部端，则电机端线电压与相电压同相，此时电机的功率因数角即为线电压与相电流之间的相位差值。

进一步的，Step3中采用晶闸管压降脉冲波上升沿与下降沿捕获时刻的中心点作为等效基波电流的过零点时刻。

进一步的，Step5中通过对电压过零点由于硬件门槛电压的影响作固定角度的角度修正计算得到正确的实时功率因数角。

进一步的，Step5中对过零处理产生的硬件电路延时作一个固定修正角的补充修正，最终得到电机补偿后功率因数角为：修正角根据电网电压过零检测电路延时的时间确定。

进一步的，Step6中，采用计算得到的功率因数角范围限制方法辨识出正确的功率因数角，而剔除根据电流180度过零点计算得到的错误的功率因数角。

进一步的，step6后的相控驱动包括：

Step7：参与相控发驱动信号角度的计算；

Step8：相位控制晶闸管驱动信号发出；

Step7用其中一相的线电压与对应相晶闸管压降检测电路检测功率因数角作为电机的实时功率因数角参与软启控制。

相对于现有技术，本发明中使用三相反并联晶闸管中的一相或多相的管压降检测，通过对软启动器晶闸管管压降的突变沿检测方法替代传统软启动器控制中采用的直接对电流采样值进行过零检测的方法；利用晶闸管电流为零时，管压降产生突变的电压外特性，利用管压降的突变检测代替直接的电流过零检测。在功率因数角的实时检测中采用MCU的捕获功能对电压方波的过零点进行捕获操作并计算实时的电机功率因数角。同时配合功率因数角补偿修正，得到正确的软启动器控制中需要应用的实时的电机负载功率因数角。此方法较传统的直接电流过零检测方法，准确度大大提高。能够有效地抑制软启动器控制过程中由于电机功率因数角的变化导致电机电流与速度的反复震荡。

附图说明

图1：现有技术直接采用电压电流采样，计算过零点时间差的方式检测相位差的方法；

图2：本发明所实施的固态软启动器作用的电机负载功率因数角的实时检测电路硬件结构框图；

图3：本发明所实施的功率因数角实时检测计算流程图；

图4：本发明方法电路输入到软启动器控制器MCU的电网侧同步方波与晶闸管(SCR)管压降同步脉冲波电压时序图；

图5：本发明方法中脉冲信号在MCU中软件捕获并计算的时刻标示。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图2所示，为本发明所实施的固态软启动器作用的电机负载功率因数角的实时检测硬件结构框图。图2的电机M出发的实线和虚线不表示检测信号线。而是表示固态软启动器对电机的运行时接线方式有两种：1、内接法(虚线)2，外接法接线(实线)。其中，电压采样取用线电压Uab，也即配电入线L1与L2之间的电网侧线电压进行差分处理后经光耦隔离转变成正弦波对应的方波检测信息送入软启动器控制器MCU的捕获单元入口CAP1。另一路的电压采样取用A相软启动器中的反并联晶闸管的管压降进行差分处理后，再整流成正向波再经光耦隔离转变成管压降脉冲波信号，并把脉冲电压信息送入软启动器控制器MCU的捕获单元入口CAP2。

同样的道理，可以采用另外一相的组合：Ubc采样及B相相晶闸管压降进行相应的处理，也可以采用Uca采样及C相相晶闸管压降进入相应的处理，其计算和检测方案均能达到此效果。

也即，本发明的硬件电路中，Uab线电压检测—就取a相的管压降，Ubc线电压检测—就取b相的管压降，Uca线电压检测—就取c相的管压降进行匹配检测。

本发明所实施的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法流程图如图3所示，包括如下步骤：

Step1：将网侧任意两相线电压转化为方波信号，软启动器控制器MCU捕获方波电压下降沿或者上升沿；CAP中断记录网侧线电压0度相位时刻t₀；

Step2：与Step1同步，将与该任意两相对应的其中一相的软启动器中的反并联晶闸管的管压降进行差分处理后，再整流成正向波再经光耦隔离转变成管压降脉冲波信号；软启动器控制器MCU捕获脉冲电压上升和下降沿，CAP中断记录脉冲电压下降沿时刻t₁、和脉冲波上升沿时刻t_c；

Step3：在脉冲波上升沿时刻t_c中断中计算实时功率因数角；

Step4：对实时功率因数角进行低通滤波处理；

Step5：对硬件的延时进行固定角度的功率因数角补偿，得到补偿后功率因数角；

Step6：判断补偿后功率因数角是否在正常范围之内；如不在正常范围之内则舍弃该结果；如在正常范围继续下一步相控驱动。

相控驱动包括：

Step7：参与相控发驱动信号角度的计算；

Step8：相位控制晶闸管驱动信号发出。

进一步的，Step3中，首先计算方波下降沿与低电平脉冲波的低电平脉冲中间点时刻之间的时间差，从而计算出线电压与相电流之间的相位差值根据电机的不同接法控制，确定相位差值与功率因数角关系。

进一步的，Step3中，当软启动器所连接的电机M采用三角形接法的外接法控制，也即晶闸串接与三相线电流输入端，则电机端线电压超前相电压30°角，此时电机的功率因数角为线电压与相电流之间的相位差值减去该超前相电压30°角之差；当软启动器所连接的电机采用三角形接法的内接法控制，也即晶闸串接与三角形内部三相相电流端，则电机端线电压与相电压同相，此时电机的功率因数角即为线电压与相电流之间的相位差值。

进一步的，Step5中根据电压过零处理电路中由于电路门槛电压的作用，对过零处理产生的硬件电路延时作一个固定修正角的补充修正，最终得到电机补偿后功率因数角为：修正角根据电网电压过零检测电路延时的时间确定。

图4所示方波信号为：电路输入到软启动器控制器MCU的电网侧电压经差分电路及光耦处理后的50HZ/60HZ同步方波信号。

图5所示脉冲信号为软启动器带电机负载运行典型工况下，晶闸管管压降经过与图2所示的相应检测电路处理后得到的脉冲信号。

如图4所示，本发明利用软启动器控制器MCU捕获图4所示的方波下降沿(如硬件电路对应的0相位时刻方波为上升沿就采用方波上升沿捕获)，计算方波下降沿与低电平脉冲波的低电平脉冲中间点时刻之间的时间差，从而计算出线电压与相电流之间的相位差值因为MCU无法避免地同时会计算出另一个相位差值值，这就需要对所计算的相位差值进行范围规定，从而在实际使用中排除掉另一个相位差值值作为真实的相位差使用。由于电机负载为感性负载，其正常的功率因数角范围为20°～90°，同时可以根据硬件电路图得知实际值为电压过零点与电流180°过零点之间的相位差，其范围在200°～270°之间，所以只需要限定检测的功率因数角在20°～90°即可有效地排除而采用相位差值作为有效的功率因数角使用。

如图5所示，在本发明的方法中，通过软启动器控制器MCU的电平捕获功能，分别锁定方波下降沿的时刻值t₀、锁定脉冲波下降沿时刻t₁、锁定脉冲波上升沿时刻t_c，同时设定为在脉冲波上升沿时刻t_c中断中计算脉冲波低电平中间时刻与方波电压下降沿之间的时间差：

Δt＝(t_c-t₀-(t_c-t₁)/2) (1)

由于在软启动器中，基波电压与基波电流均为工频50HZ，或者60HZ，则相应地可方便地计算出在启动过程中的线电压与相电流之间的相位差：

同样的，在工频50HZ电网中运行时相位差按(2)式计算：

在工频60HZ电网中运行时相位差按(3)式计算：

当软启动器所连接的电机M采用如图2所示三角形接法的外接法控制，则电机端线电压超前相电压30°角。此时电机的功率因数角(50HZ系统)，或者(60HZ系统)；

当软启动器所连接的电机采用内接法控制，则电机端线电压与相电压同相，此时电机的功率因数角(50HZ系统)，或者(60HZ系统)。

之后，再根据电压过零处理电路中由于电路门槛电压的作用，对过零处理产生的硬件电路延时作一个固定小角度的补充修正，最终电机功率因数角为：通常根据电网电压过零检测电路延时的时间确定修正角硬件的延时时间可通过示波器测量得到，比如硬件延时0.2us，对应的修正角

经过实际的实验，此方法能够很准确并迅速计算得出正确的固态软启动器运行状态的实时功率因数角，为电压的相位控制系统提供实时的调控依据。

由此，本发明的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，在软启动器的控制系统方案中，采用晶闸管的管压降过零点的方法代替作为电流过零点检测来使用，对输入电网侧进行三相线电压的过零方法检测，在实现中通过差分电路与光耦实现三相线电压的交流信号到方波信号的转变，转变后的与网侧三相线电压正负半周对应的方波弱信号实时地引入软启动器控制MCU实现过零检测。

Claims (10)

1.一种用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：

对输入电网侧进行三相线电压的过零方法检测，通过差分电路与光耦实现三相线电压的交流信号到方波信号的转变，转变后的与网侧三相线电压正负半周对应的方波弱信号实时地引入软启动器控制器实现过零检测；

与此同时，对三相反并联的晶闸管中的一相进行管压降的检测，并且对反并联晶闸管检测到的电压信号差分后进行整流处理，再经过光耦转变成与晶闸管管压降极性对应的脉冲波信号，将脉冲波信号实时地引入软启动器控制器MCU实现此脉冲波信号的下降沿与上升沿检测，以此下降检测信号与上升沿信号中间时刻点作为相电流过零点时刻；

应用软启动器控制器MCU对上述方波信号和脉冲波信号进行捕获处理，获取线电压与相电流之间的相位差值，进而计算实时功率因数角，并通过补偿修正，得到实时应用软启动器控制的电机负载功率因数角，用于电机启动控制。

2.根据权利要求1所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：采用电网侧线电压过零检测电路及晶闸管压降过零检测电路作为功率因数角检测电路。

3.根据权利要求1所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：晶闸管压降过零检测电路中采用整流的方式后通过光耦隔离并转化为脉冲波信号送入软启动器控制器MCU进行捕获过零点计算。

4.根据权利要求1所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：上述方法包括如下步骤：

Step1：将网侧任意两相线电压转化为方波信号，软启动器控制器MCU捕获方波电压下降沿或者上升沿；CAP中断记录网侧线电压0度相位时刻t₀；

Step2：与Step1同步，将与该任意两相对应的其中一相的软启动器中的反并联晶闸管的管压降进行差分处理后，再整流成正向波再经光耦隔离转变成管压降脉冲波信号；软启动器控制器MCU捕获脉冲电压上升和下降沿，CAP中断记录脉冲电压下降沿时刻t₁、和脉冲波上升沿时刻t_c；

Step3：在脉冲波上升沿时刻t_c中断中检测并计算实时功率因数角；

Step4：对步骤step3的实时功率因数角进行低通滤波处理；

Step5：对硬件的延时进行固定角度的功率因数角补偿，得到补偿后功率因数角；

Step6：判断补偿后功率因数角是否在正常范围之内；如不在正常范围之内则舍弃该结果；如在正常范围，即确定为最终得到的参与应用的功率因数角，继续下一步的相控驱动。

5.根据权利要求4所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：Step3中，首先计算方波下降沿与低电平脉冲波的低电平脉冲中间点时刻之间的时间差，从而计算出线电压与相电流之间的相位差值根据电机的不同接法控制，确定相位差值与电机功率因数角关系；

当软启动器所连接的电机M采用三角形外接法控制，也即晶闸管接入线电流输入端，则电机端线电压超前相电压30°角，此时电机的功率因数角为线电压与相电流之间的相位差值减去该超前相电压30°角之差；当软启动器所连接的电机采用三角形内接法控制，也即晶闸接入相电流三角形内部端，则电机端线电压与相电压同相，此时电机的功率因数角即为线电压与相电流之间的相位差值。

6.根据权利要求4所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：Step3中采用晶闸管压降脉冲波上升沿与下降沿捕获时刻的中心点作为等效基波电流的过零点时刻。

7.根据权利要求4所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：Step5中通过对电压过零点由于硬件门槛电压的影响作固定角度的角度修正计算得到正确的实时功率因数角。

8.根据权利要求4所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：Step5中对过零处理产生的硬件电路延时作一个固定修正角的补充修正，最终得到电机补偿后功率因数角为：修正角根据电网电压过零检测电路延时的时间确定。

9.根据权利要求4所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：Step6中，采用计算得到的功率因数角范围限制方法辨识出正确的功率因数角，而剔除根据电流180度过零点计算得到的错误的功率因数角。

10.根据权利要求1所述的用于固态软启动器的实时功率因数角检测方法，其特征在于：step6后的相控驱动包括：

Step7：参与相控发驱动信号角度的计算；

Step8：相位控制晶闸管驱动信号发出；

Step7用其中一相的线电压与对应相晶闸管压降检测电路检测功率因数角作为电机的实时功率因数角参与软启控制。