CN110277949A - 一种高压变频器同步切换的控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压变频器同步切换的控制系统及控制方法，属于电力电子领域。该控制系统包括电压检测模块、信号处理和PWM计算模块、IO控制模块；该方法是用电压检测模块检测工频电压信号，并对其进行锁相计算，得到工频电压的幅值和角度，对投入PWM计算的变频器输出调制度和电压基波初相角进行补偿，预估实际输出的变频电压幅值和角度，得到投切指令时，根据工频电压与预估变频电压之间的角度差值调节投入PWM计算的变频器输出频率和输出相角，根据工频电压的幅值调节投入PWM计算的变频器输出电压调制度，当调节到工频电压与预估变频电压幅值、相位、频率一致时，同步切换。本发明能够实现平滑无扰切换，同时降低设备成本。

Description

一种高压变频器同步切换的控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种高压变频器同步切换的控制系统和控制方法，适用于类似拖动交流旋转电机的变频器控制系统。

背景技术

变频器具备电压，频率可调的特点，在运动控制系统中能够优化启动性能，提高运行效率，起到节电，节能的作用。但高压变频器是由电力电子器件组成的复杂系统，因环境、器件老化等原因需要定时检修或不定时维修，这就需要工频侧与变频器之间进行不定时的切换，传统控制需要反复停机，造成巨大的经济损失，为避免类似情况，就需要无扰切换技术。

同步切换控制，即控制变频器与工频电网在互相切换的过程中不需停机，转速不需有大的变动，切换电流不会有大的冲击。

目前已具备多种工频投切的方法，其实现原理和效果也都不同，有的采用冷切换方式，需预测接触器开断时间内的电机速降和相位偏移，其控制效果易受接触器开断时间精度和负载情况影响；有的采用热切换方式，需要同时检测工频电压和变频器输出电压，增加设备空间和成本。

因此，亟需一种既能使工频投切不受时间精度和负载情况的影响，又能减低设备空间和成本的高压变频器同步切换的控制系统和控制方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高压变频器同步切换的控制系统和控制方法，该方法采用热切换方式，利用工频电压的检测信号调整变频器的输出，使得切换时达到无电流冲击，无转速扰动的控制效果。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种高压变频器同步切换的控制系统，包括电压检测模块、信号处理和PWM计算模块，以及IO控制模块；

所述电压检测模块，用于对输入工频电压的检测；

所述信号处理和PWM计算模块，用于对检测的电压信号进行锁相计算和角度跟踪算法，输出相位和幅值的补偿等控制方法的运算，最后输出合适的PWM脉冲，控制电力电子开关器件的通断；

所述IO控制模块，用于对接触器状态的检测和控制，根据控制器的指令进行相应的切换操作。

2、一种高压变频器同步切换的控制方法，具体包括以下步骤：

S1：用电压检测模块检测工频电压信号，对检测到的电压信号进行锁相计算，得到工频电压信号的实际频率F_reqac、三相基波电压角度θ_ac和电压幅值U_acm；

S2：用信号处理和PWM计算模块对投入PWM计算的变频器输出调制度m和电压基波相角θ_inv进行补偿，预估实际输出的变频电压幅值U_inv1和角度θ_inv1；

S3：得到切换指令时，变频器输出先升速至工频电压频率，设定目标输出频率为工频电压信号的实际频率F_reqac；

S4：判断输出频率达到设定目标时，进入相位和幅值跟踪算法；

S5：判断工频电压信号与变频预估电压信号幅值、相位、频率一致时，进行同步切换操作。

进一步，所述步骤S1具体包括：采集工频电压A相U_aca和B相U_acb，采用软件锁相环算法得到工频电压信号的实际频率F_reqac和三相基波电压角度θ_ac，采用三相有效值算法得到电压幅值U_acm。

进一步，所述步骤S2具体包括：预估实际输出变频器的电压幅值为U_inv1＝m*U_dc，其中U_dc为三相直流母线电压平均值，预估输出变频电压角度为θ_inv1＝θ_inv-θ_comp，其中θ_comp为一个开关周期时长的角度。

进一步，所述步骤S3中，投切指令分为工频切变频指令和变频切工频指令，对两种不同的指令计算处理方法相同，输出操作命令不同。

进一步，所述步骤S4中，相位和幅值跟踪算法具体为：根据工频电压信号与预估变频电压信号之间的角度差值调节投入PWM计算的变频器输出频率和输出相角；根据工频电压信号的电压幅值U_acm调节投入PWM计算的变频器输出电压调制度。

进一步，所述步骤S4中，根据工频电压信号与变频预估电压信号的相位差Δθ，经过PI调节器调节，调节器输出用来调整变频器的输出频率，当相位差到达第一阈值时，变频器输出频率按照检测工频电网频率给定，输出相位按照检测工频电网频率为目标斜坡线性改变，输出调制度按照检测工频电压信号的电压幅值为目标斜坡线性改变。

进一步，所述步骤S5中，判断工频电压信号与变频预估电压信号幅值、相位、频率一致的方法是：相位差Δθ持续在第二阈值内1s，幅值差在设定阈值内；同步切换操作是根据切换指令分别输出不同的操作命令，分别控制工切变操作和变切工操作。

进一步，所述工切变操作：先闭合变频接触器KM2投入变频器运行，控制系统接收到变频接触器KM2闭合指令后再断开工频接触器KM3退出工频运行；所述变切工操作：先闭合工频接触器KM3投入工频运行，控制系统接收到变频接触器KM3闭合指令后，再断开KM2退出变频运行。

本发明的有益效果在于：本发明所述控制系统可以使用较少的电压检测电路，节省设备空间和成本；本发明所述控制方法，可以实现工频电源与变频器供电之间的平滑无扰切换，保证生产的连续性。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述的同步切换控制系统示意图；

图2为本发明所述的同步切换控制方法流程图；

图3为变频电压跟踪工频电压幅值、角度原理图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1～图3，图1是本实施例中高压变频器同步切换的系统，工频电源为10kV电源，变频器为副边660V的9级H桥单元级联高压变频器，拖动2000kW电机，控制系统包括电压检测模块，信号处理和PWM计算模块，IO控制模块。

电压检测模块，检测工频电压A相U_aca和B相U_acb；

信号处理和PWM计算模块，对检测到的电压信号进行锁相计算，对变频器输出电压幅值、角度进行预估计算，对两电压信号进行幅值、角度跟踪计算，最后输出合适的PWM脉冲驱动变频器中的H桥功率单元模块；

IO控制模块，进行接触器状态的检测和控制，根据切换需求进行相应的切换动作。

图2是本实施例中工频电源与变频器之间同步平滑切换采用的控制方法流程图，包括以下步骤：

步骤一：采集工频电压U_aca和U_acb，采用软件锁相环算法得到三相基波电压角度θ_ac和工频电压频率F_reqac，采用三相有效值算法得到电压幅值U_acm。

步骤二：预估输出变频器的电压幅值U_inv1为投入PWM计算的变频器输出调制度m*三相直流母线电压平均值U_dc，预估输出变频器的电压角度θ_inv1为投入PWM计算的基波相角减去一个开关周期时长的角度。

步骤三：得到切换指令时，设定目标输出频率为工频电压实际频率；切换指令分为工切变指令和变切工指令，不同的指令影响最终的操作指令输出。

步骤四：判断输出频率达到设定目标时，进入相位和幅值跟踪算法，算法如图3所示：相位差Δθ＝θ_ac-θ_inv，经过PI调节器调节，调节器输出△f，变频器输出频率f_out＝f_set+Δf，Δθ第一阈值设为0-3°，当Δθ到达第一阈值时，变频器输出频率f_out＝F_reqac，输出相位目标为θ_ac，输出调制度目标m＝U_acm/U_dc，输出相位和输出调制度斜坡变化至目标设定值。

Δθ第二阈值设为0-1°，判断当Δθ持续在第二阈值内1s，Uacm-Uinv1在±100V内；同步切换操作根据切换指令分别输出不同的操作位，分别控制工切变操作和变切工操作。

步骤五：输出工切变操作指令时，先闭合KM2投入变频器运行，控制系统接收到KM2闭合指令后再断开工频接触器KM3退出工频运行；输出变切工操作指令时，先闭合KM3投入工频运行，控制系统接收到KM3闭合指令后，再断开KM2退出变频运行。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：用电压检测模块检测工频电压信号，对检测到的电压信号进行锁相计算，得到工频电压信号的实际频率F_reqac、三相基波电压角度θ_ac和电压幅值U_acm；

S2：用信号处理和PWM计算模块对投入PWM计算的变频器输出调制度m和电压基波相角θ_inv进行补偿，预估实际输出的变频电压幅值U_inv1和角度θ_inv1；

S3：得到切换指令时，设定目标输出频率为工频电压信号的实际频率F_reqac；

S4：判断输出频率达到设定目标时，进入相位和幅值跟踪算法；

S5：判断工频电压信号与变频预估电压信号幅值、相位、频率一致时，进行同步切换操作。

2.根据权利要求1所述的一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：采集工频电压A相U_aca和B相U_acb，采用软件锁相环算法得到工频电压信号的实际频率F_reqac和三相基波电压角度θ_ac，采用三相有效值算法得到电压幅值U_acm。

3.根据权利要求1所述的一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：预估实际输出变频器的电压幅值为U_inv1＝m*U_dc，其中U_dc为三相直流母线电压平均值，预估输出变频电压角度为θ_inv1＝θ_inv-θ_comp，其中θ_comp为一个开关周期时长的角度。

4.根据权利要求1所述的一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，投切指令分为工频切变频指令和变频切工频指令，对两种不同的指令计算处理方法相同，输出操作命令不同。

5.根据权利要求1所述的一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，相位和幅值跟踪算法具体为：根据工频电压信号与预估变频电压信号之间的角度差值调节投入PWM计算的变频器输出频率和输出相角；根据工频电压信号的电压幅值U_acm调节投入PWM计算的变频器输出电压调制度。

6.根据权利要求5所述的一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据工频电压信号与变频预估电压信号的相位差Δθ，经过PI调节器调节，调节器输出用来调整变频器的输出频率，当相位差到达第一阈值时，变频器输出频率按照检测工频电网频率给定，输出相位按照检测工频电网频率为目标斜坡线性改变，输出调制度按照检测工频电压信号的电压幅值为目标斜坡线性改变。

7.根据权利要求1所述的一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，判断工频电压信号与变频预估电压信号幅值、相位、频率一致的方法是：相位差Δθ持续在第二阈值内1s，幅值差在设定阈值内；同步切换操作是根据切换指令分别输出不同的操作命令，分别控制工切变操作和变切工操作。

8.根据权利要求7所述的一种高压变频器同步切换的控制方法，其特征在于，所述工切变操作：先闭合变频接触器KM2投入变频器运行，控制系统接收到变频接触器KM2闭合指令后再断开工频接触器KM3退出工频运行；所述变切工操作：先闭合工频接触器KM3投入工频运行，控制系统接收到变频接触器KM3闭合指令后，再断开KM2退出变频运行。

9.一种高压变频器同步切换的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括电压检测模块、信号处理和PWM计算模块，以及IO控制模块；

所述电压检测模块，用于对输入工频电压的检测；

所述信号处理和PWM计算模块，用于对检测的电压信号进行锁相计算和角度跟踪算法，输出相位和幅值的补偿，最后输出合适的PWM脉冲，控制电力电子开关器件的通断；

所述IO控制模块，用于对接触器状态的检测和控制，根据控制器的指令进行相应的切换操作。