CN117060713B - 一种低压变频器老化功率因数控制方法 - Google Patents

一种低压变频器老化功率因数控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种低压变频器老化功率因数控制方法，该方法将待老化变频器的输出经一个1:1变压器并网，通过控制待老化变频器输出电压的幅值和相位实现对电网进行所需功率因数的能量输出，进而实现对变频器的老化；所述方法为：首先采样电网V in2侧三相电压Ua、Ub、Uc，经锁相环计算后得到电网V in2侧三相电压角频率和相位角，其次由相位补偿角公式得到待老化变频器输出电压相位补偿角，根据电网V in2侧三相电压相位角、待老化变频器输出电压相位补偿角得到满足所需功率因数的输出电压矢量，实现了待老化变频器输出功率因数的主动控制。本发明控制方法简单，输出功率因数可控，具有极高的使用价值。

Description

一种低压变频器老化功率因数控制方法
技术领域
本发明涉及变频器性能测试领域，具体涉及一种低压变频器老化功率因数控制方法。
背景技术
变频器是应用变频驱动技术改变电动机工作电压的频率和幅度，根据电机的实际需要提供其所需要的电源电压，有节能、调速的优点，在水泥、电梯、电力电子、环保等领域得到广泛的应用。随着工业自动化程度的不断提高，对变频器的产品质量、性能有更高的要求，因此，对变频器的性能测试日趋重要。老化测试就是模拟实际负载的电性特点满负荷运行，以测试变频器的性能，评估变频器的可靠性和产品质量，发现并解决潜在的质量问题。
目前老化测试主要对变频器的过压、短路及额定负载和过负载，变频器产品的控制回路、驱动回路的功能和可靠性等进行检测。变频器的老化测试需要满足能量单向流动、输出电压达到指定电压、功率因数可控三个要求，为此，本发明提出了一种低压变频器老化功率因数控制方法以实现对变频器的老化测试。
发明内容
针对以上所述，本发明提出一种低压变频器老化功率因数控制方法，该控制方法简单高效、可实现对能量流动方向、输出电压、输出功率因数的主动控制。
为实现以上目的，本发明提出一种低压变频器老化功率因数控制方法，步骤如下：
S1，由网压传感器采样电网侧三相电压/>、/>、/>，将电网/>侧三相电压/>、/>、/>传送给锁相环PLL；
S2，经过锁相环PLL计算，获得电网侧的电网角频率/>、电网/>侧的电压相位角/>；
S3，根据目标功率因数求出待老化变频器输出电压的相位补偿角/>；
S4，计算控制角；
S5，通过坐标变换公式，求得用于调制发波的待老化变频器输出α轴电压、待老化变频器输出β轴电压/>；
S6，将待老化变频器输出α轴电压、待老化变频器输出β轴电压/>作为最优发波矢量通过SVPWM调制，作用于待老化变频器的逆变模块调制发波。
进一步的，步骤S2中，锁相环PLL计算方法为：电网侧三相电压/>、/>、/>经过3s/2r变换后得到/>、/>，3s/2r变换公式：
，
其中，、/>为dq旋转坐标系下的电网/>侧电压矢量；/>为电网/>侧的电压相位角；/>、/>、/>为电网/>侧三相电压；cos为余弦三角函数；sin为正弦三角函数。
将经过PI调节后得到电网/>侧的电网角频率/> ，再经过一阶积分环节后，得到电网/>侧的电压相位角/>。
进一步的，步骤S3中，相位补偿角公式如下：
，
其中，表示电网/>侧的电网角频率，L表示1:1变压器的总漏感，R表示1:1变压器的总等效电阻，π表示圆周率，/>表示反正切三角函数，/>表示反余弦三角函数，/>表示目标功率因数，/>表示相位补偿角。
进一步的，步骤S4中，将侧的电压相位角/>与相位补偿角/>相加，得到控制角/>，公式如下：
,
其中，为控制角，/>为电网/>侧的电压相位角；/>为相位补偿角。
进一步的，步骤S5，根据控制角，经坐标变换公式，求得用于调制发波的待老化变频器输出α轴电压/>、待老化变频器输出β轴电压/>，坐标变换公式如下：
,
,
,
其中，为/>侧电网电压，/>为待老化变频器输出d轴电压，/>为待老化变频器输出q轴电压；/>为待老化变频器输出α轴电压；/>为待老化变频器输出β轴电压；/>为控制角。
本发明提出的一种低压变频器老化功率因数控制方法，根据目标功率因数、输出电网侧电压相位角、输出侧电网角频率求得控制角，将其经过坐标变换后作为最优发波矢量，作用于逆变器调制发波，控制方法简单高效、能够实现能量单向流动、输出电压达到指定电压、输出功率因数可控等要求。
附图说明
图1为本发明提供的功率因数控制方法的算法框图；
图2为本发明提供的锁相环PLL算法框图；
图3为本发明提供的变频器并网输出单相等效电路模型图；
图4为本发明提供的简化后的变频器并网输出单相等效电路模型图。
具体实施方式
以下所述仅是本发明的优选实施方式。下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
图1为本发明提供的功率因数控制方法的算法框图，如图1所示，本发明提出的一种低压变频器老化功率因数控制方法，步骤如下：
S1，由网压传感器采样电网V in2侧三相电压、/>、/>，将电网/>侧三相电压/>、/>、/>传送给锁相环PLL；
S2，经过锁相环PLL计算，获得电网侧的电网角频率/>、电网/>侧的电压相位角/>；
S3，根据目标功率因数求出待老化变频器输出电压的相位补偿角/>；
S4，计算控制角；
S5，通过坐标变换公式，求得用于调制发波的待老化变频器输出α轴电压、待老化变频器输出β轴电压/>；
S6，将待老化变频器输出α轴电压、待老化变频器输出β轴电压/>作为最优发波矢量通过SVPWM调制，作用于待老化变频器的逆变模块调制发波。
图2为本发明提供的锁相环PLL算法框图，如图2所示，步骤S2中锁相环PLL计算方法为：电网侧三相电压/>、/>、/>经过3s/2r变换后得到/>、/>，3s/2r变换公式：
，
其中，、/>为dq旋转坐标系下的电网/>侧电压矢量；/>为电网/>侧的电压相位角；/>、/>、/>为电网/>侧三相电压；cos为余弦三角函数；sin为正弦三角函数。
将经过PI调节后得到电网/>侧的电网角频率/> ，再经过一阶积分环节后，得到电网/>侧的电压相位角/>。
图3为本发明提供的变频器并网输出单相等效电路模型图，步骤S3中，首先将1:1变压器看做理想变压器与阻感串联形式，如图3所示，为电网电压且等于图1中/>侧电网电压；/>为变频器输出电压且等于图1中/>侧电网电压；由于变压器变比为1:1，因此通常有：
，
其中，和/>为变压器原边等效电阻和漏感；/>和/>为变压器副边等效电阻和漏感。
图4为本发明提供的简化后的变频器并网输出单相等效电路模型图，如图4所示，图中1:1变压器的总等效电阻R和1:1变压器的总漏感L可表示为：
，
其中，R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；和/>为变压器原边等效电阻和漏感；/>和/>为变压器副边等效电阻和漏感。
考虑电网电压和变频器输出电压/>为：
，
其中，为电网电压；/>为变频器输出电压；/>为网侧电压/>和变频器输出电压/>幅值；/>为/>侧电网角频率；/>和/>分别为网侧电压/>和变频器输出电压的相位角。
根据图4给出的电路模型，可以得到网侧电流为：
，
其中，为网侧电流；/>为电网电压；/>为变频器输出电压；j为虚部；/>为侧电网角频率；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；/>为网侧电压和变频器输出电压/>幅值；/>和/>分别为网侧电压/>和变频器输出电压/>的相位角；t为时间；cos为余弦三角函数；/>表示反正切三角函数。
利用和差化积公式对上式进行化简得到：
，
其中，为网侧电流；/>为网侧电压/>和变频器输出电压/>幅值；/>和/>分别为网侧电压/>和变频器输出电压/>的相位角；/>为/>侧电网角频率；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；t为时间；sin为正弦三角函数；cos为余弦三角函数；/>表示反正切三角函数；π为圆周率。
考虑通常定义电网电压相位角为0，因此上式可化简为：
，
其中，为网侧电流；/>为网侧电压/>和变频器输出电压/>幅值；/>和/>分别为网侧电压/>和变频器输出电压/>的相位角；/>为/>侧电网角频率；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；t为时间；sin为正弦三角函数；cos为余弦三角函数；/>表示反正切三角函数；π为圆周率。
从上式中可以看到，通过控制变频器输出电压相位角便可控制输出电流的幅值和相对电网电压的相位，进而控制变频器输出功率因数与功率流向。
下面将讨论变频器输出电压相位角的控制方法。
从网侧看，网侧电压和网侧电流/>表示如下：
，
，
其中，为电网电压；/>为网侧电压/>和变频器输出电压/>幅值； />为侧电网角频率；t为时间；/>为网侧电流；/>为变频器输出电流幅值；/>变频器输出电压相位角；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；sin为正弦三角函数；cos为余弦三角函数；/>表示反正切三角函数；π为圆周率。
从上式中可以看出，为了保证功率由变频器流向电网，此时需要变频器输出工作在第二象限，且考虑需要满足目标功率因数角为，此时需要满足：
，
其中，变频器输出电压相位角；/>为/>侧电网角频率；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；/>为目标功率因数角；/>表示反正切三角函数；π为圆周率。
此时可求得变频器所需控制的输出电压相位角为：
，
其中，变频器输出电压相位角；/>为/>侧电网角频率；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；/>为目标功率因数角；/>表示反正切三角函数；π为圆周率。
若考虑功率因数为，则变频器输出电压相位角/>公式为：
，
其中，变频器输出电压相位角；/>为/>侧电网角频率；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；/>为目标功率因数角；/>表示反正切三角函数；表示反余弦三角函数；π为圆周率。
将图3、图4与图1对应可得，
为变频器输出电压且等于/>侧电网电压，/>为电网电压且等于/>侧电网电压；因此，/>为变频器输出电压相位角且等于待老化变频器输出电压相位补偿角/>；即：
，
其中，为待老化变频器输出电压相位补偿角；/>为/>侧电网电压角频率；R为1:1变压器的总等效电阻；L为1:1变压器的总漏感；/>表示反正切三角函数；表示反余弦三角函数；cos为余弦三角函数；π为圆周率。
步骤S4中，将侧电压相位角/>与待老化变频器输出电压相位补偿角/>相加，得到控制角/>，公式如下：
,
其中，为控制角，/>为电网/>侧的电压相位角；/>为待老化变频器输出电压相位补偿角。
步骤S5，根据控制角，经坐标变换公式，求得用于调制发波的待老化变频器输出α轴电压/>、待老化变频器输出β轴电压/>，坐标变换公式如下：
,
,
,
其中，为/>侧电网电压，/>为待老化变频器输出d轴电压，/>为待老化变频器输出q轴电压；/>为待老化变频器输出α轴电压；/>为待老化变频器输出β轴电压；/>为控制角。
本发明提出的一种低压变频器老化功率因数控制方法，将待老化变频器的输出经一个1:1变压器并网，通过控制待老化变频器输出电压的幅值和相位实现对电网进行所需功率因数的能量输出，进而实现对变频器的老化。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (3)

1.一种低压变频器老化功率因数控制方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1，由网压传感器采样电网侧三相电压/>、/>、/>，将电网/>侧三相电压、/>、/>传送给锁相环PLL；
S2，经过锁相环PLL计算，获得电网侧的电网角频率/>、电网/>侧的电压相位角；
S3，根据目标功率因数求出待老化变频器输出电压的相位补偿角/>，相位补偿角公式如下：
，
其中，表示电网/>侧的电网角频率，L表示1:1变压器的总漏感，R表示1:1变压器的总等效电阻，π表示圆周率，/>表示反正切三角函数，/>表示反余弦三角函数，/>表示目标功率因数，/>表示相位补偿角；
S4，计算控制角，将/>侧的电压相位角/>与相位补偿角/>相加，得到控制角，公式如下：
，
其中，为控制角；/>为电网/>侧的电压相位角；/>为相位补偿角；
S5，通过坐标变换公式，求得用于调制发波的待老化变频器输出α轴电压、待老化变频器输出β轴电压/>；
S6，将待老化变频器输出α轴电压、待老化变频器输出β轴电压/>作为最优发波矢量通过SVPWM调制，作用于待老化变频器的逆变模块调制发波。
2.根据权利要求1所述的一种低压变频器老化功率因数控制方法，其特征在于，所述S2中，锁相环PLL计算方法为：电网侧三相电压/>、/>、/>经过3s/2r变换后得到/>、/>，3s/2r变换公式：
，
其中，、/>为dq旋转坐标系下的电网/>侧电压矢量；/>为电网/>侧的电压相位角；/>、/>、/>为电网/>侧三相电压；cos为余弦三角函数；sin为正弦三角函数；
将经过PI调节后得到电网/>侧的电网角频率/> ，再经过一阶积分环节后，得到电网/>侧的电压相位角/>。
3.根据权利要求1所述的一种低压变频器老化功率因数控制方法，其特征在于，所述S5，根据控制角，经坐标变换公式，求得用于调制发波的待老化变频器输出α轴电压、待老化变频器输出β轴电压/>，所述坐标变换公式如下：
，
，
，
其中，为/>侧电网电压，/>为待老化变频器输出d轴电压，/>为待老化变频器输出q轴电压；/>为待老化变频器输出α轴电压；/>为待老化变频器输出β轴电压；/>为控制角。
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