CN1214514C

CN1214514C - 在驱动装置和电源之间切换ac机器的方法和装置

Info

Publication number: CN1214514C
Application number: CNB008034818A
Authority: CN
Inventors: P·S·比克塞尔; E·Y·Y·候
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: WO2001041292A1; CN1339195A; WO2001041292A9; JP2003516107A; KR20010101963A; US6329776B1; CN1655441A

Abstract

在电压不随频率的驱动装置和诸如供电干线或发电机等电源之间转换AC机器的一种方法和装置。在转换过程中，在转换之前将电机驱动装置置于一种准电压模式，以便让电机驱动装置的输出与电源的输出同步。在找准过程中，根据检测到的AC机器状态预处理驱动装置的输出，以便使AC机器端子上的电压与驱动装置的输出同步。在找准过程中将AC机器端子上的频率和/或电压与电源的频率和/或电压相比较，由此检测接触器的断开。

Description

在驱动装置和电源之间切换AC机器的方法和装置

技术领域

本发明涉及到在来自一个电源的电力和来自一个可变频率驱动装置的电力之间对AC机器进行控制转换。本发明具体涉及到在来自一个不采用电压随频率控制方案的驱动装置的电力和来自一个电源的电力之间转换AC机器的方法和装置。

背景技术

在许多应用中都需要将从一个电源-例如是供电干线-接收电力的AC机器转换到从一个变频电机驱动装置接收电力，或者是相反的转换。本文中所述的“电源”是指任何一种AC电源，例如是供电干线、发电机、不间断电源等等。本文中所述的“AC机器”是指任何一种AC旋转机器，例如AC同步电机、AC磁阻电机、发电机、电动机等等。

例如在汽轮静态起动器中，用一个可变频率电机驱动装置代替柴油机将发电机带动到自保持速度，然后就可以在这一速度下将发电机切换到供电干线上。在诸如变速风扇和泵等其它应用中，需要用电机驱动装置获得可变的速度，然后将电机切换到供电干线按照恒定的高速保持工作。另外，在电机驱动装置故障的情况下还需要将电机转换到供电干线以保持连续工作。类似的情况往往还需要将电机从供电干线转换回到电机驱动装置以便降低电机速度或者是改变电机的速度或转矩。在本文中将AC机器从一个驱动装置切换到电源称为“转换”，而将AC机器从电源切换到一个驱动装置称为“找准”。

当然，AC机器的速度会随着驱动电机的输入信号频率而变化。然而，电机的感抗在低频时会下降，如果电压是恒定的，就会在电机中造成过电流。因此，常规的V/F(“电压随频率”或“电压随赫兹”)驱动控制是利用驱动电压和频率之间的固定比例，并且在这一假设的基础上将频率控制最高达到额定工作频率，从而控制由驱动装置的输出所驱动的电机的速度。在V/F控制的驱动中，要使驱动装置的输出频率和一个电源保持同步以实现转换和找准是比较简单的。然而，V/F控制本质上是开环的，必然存在稳定性问题。例如，因为频率是受控制的，故机器速度不是直接控制的。随负载会出现机器滑差，因此电机速度并不直接正比于输入电流的频率。为克服这一问题已发明了复杂滑差频率算法。然而，除了额外地增加滑差频率控制的复杂性之外，V/F控制不能独立地控制输入电流的磁场生成和转矩生成分量，因而不能实现瞬时的转矩控制。

为克服V/F控制驱动装置的局限已发明了“矢量控制”驱动装置。本文所述的“矢量控制”是指任何形式的AC机器转矩控制，例如场定位控制、固有场定位控制和直接转矩控制等。在矢量控制驱动中，电机的转矩是直接或间接地控制的。因此，矢量控制能够以类似于DC机器的方式来控制AC机器。矢量控制算法是广泛公知的，而矢量控制驱动被用在各种DC机器控制的应用中。然而，由于矢量控制本身不能提供参考电压，所以难以使矢量控制驱动装置的输出与供电干线的输出同步，因而就也难以在采用矢量控制驱动装置的系统中实现线路转换或找准过程。

发明内容

本发明的第一方面是在来自一个电源的电力和来自一个驱动装置的电力之间切换AC机器的一种方法，该方法包括以下步骤：将驱动装置的输出连接到AC机器；利用一种不同于电压随频率控制过程的控制过程来用驱动装置的输出控制AC机器的速度；将驱动装置的电压和频率输出稳定在转换电压值和转换频率值上；按照一种准电压模式用转换电压值和转换频率值作为参考来控制驱动装置的输出；在所述控制步骤之后使驱动装置的输出和一个电源的输出同步；在所述同步步骤之后将电源连接到AC机器；并且从AC机器上断开驱动装置的输出。

本发明的第二方面是在来自一个电源的电力和来自一个驱动装置的电力之间切换AC机器的一种方法，它包括：将一个电源的输出连接到AC机器，以便用该电源的输出驱动AC机器；将一个驱动装置的输出连接到AC机器，使该驱动装置处在空载状态；从AC机器上断开电源的输出；检测AC机器的工作状态；预处理驱动装置的输出以对应于所述检测步骤中所检测到的工作状态；并且根据所述预处理步骤来控制驱动装置的输出。

本发明的第三方面是在来自一个电源的电力和来自一个电机驱动装置的电力之间切换AC机器的一种装置，它包括：将一个驱动装置的输出连接到AC机器的装置；利用一种不同于电压随频率控制过程的控制过程来用驱动装置的输出控制AC机器速度的装置；将驱动装置的电压和频率输出稳定在转换电压值和转换频率值上的装置；按照一种准电压模式用转换电压值和转换频率值作为参考来控制驱动装置的输出的装置；用来使驱动装置的输出和一个电源的输出同步的装置；在所述同步装置已经使驱动装置输出与电源输出同步之后将电源连接到AC机器的装置；以及在所述连接装置将电源连接到AC机器之后从AC机器上断开驱动装置输出的装置。

本发明的第四方面是在来自一个电源的电力和来自一个驱动装置的电力之间切换AC机器的一种装置，它包括：将一个电源的输出连接到AC机器、以便用电源的输出驱动AC机器的装置；将一个驱动装置的输出连接到AC机器、并使驱动装置处在空载状态的装置；从AC机器上断开电源输出的装置；用来检测AC机器工作状态的装置；用来预处理驱动装置的输出以对应于所述检测装置所检测到的工作状态的装置；以及根据所述预处理装置的输出来控制驱动装置输出的装置。

本发明的第五方面是一种在驱动系统中用来检测开关机构断开的方法，系统中的电源被连接到驱动装置以便向驱动装置提供电力，第一开关机构被连接到驱动装置的输出部分，第二开关机构被连接到电源，一个AC机器被连接到第一开关机构和第二开关机构，而且一个控制器在操作中被连接到第一开关机构和第二开关机构以便控制第一开关机构和第二开关机构，使得将AC机器有选择地连接到公用电源上和驱动装置的输出部分上。该方法包括检测AC机器端子上的频率，根据AC机器端子上的频率产生一个指示第二开关机构断开的信号。

本发明的第六方面是一种在来自一个电源的电力和来自一个驱动装置的电力之间切换AC机器的一种切换系统，该系统包括：一个电源；具有输出部分和输入部分的一个驱动装置，所述输入部分被连接到所述电源上；连接到所述输出部分的第一开关机构；连接到所述电源的第二开关机构，连接到所述第一开关机构和所述第二开关机构的AC机器；以及一个控制器，它在操作中被连接到所述第一开关机构和所述第二开关机构上以控制所述第一开关机构和所述第二开关机构，使得将AC机器有选择地连接到所述电源上和驱动装置的输出部分上，操作所述控制器，以便在第一开关机构闭合而所述第二开关机构断开时、利用一种不同于电压随频率控制过程的控制过程来用驱动装置的输出控制AC机器的速度，将所述驱动装置的电压和频率输出稳定在转换电压值和转换频率值上，还要操作所述控制器，使得在转换过程中按照一种准电压模式用转换电压值和转换频率值作为参考来控制驱动装置的输出，以便于同步所述驱动装置的输出和所述电源的输出，在所述驱动装置的输出与所述电源的输出达到同步之后闭合第二开关机构以便将所述电源连接到所述的AC机器上，并且随后从所述AC机器上断开所述驱动装置的输出。

本发明的第七方面是在来自一个电源的电力和来自一个驱动装置的电力之间切换AC机器的一种切换系统，该系统包括：一个电源；具有输出部分和输入部分的一个驱动装置，所述输入部分被连接到所述电源上；连接到所述输出部分的第一开关机构，连接到所述电源的第二开关机构，连接到所述第一开关机构和所述第二开关机构的AC机器；以及在操作时被连接到所述第一开关机构和所述第二开关机构以控制所述第一开关机构和所述第二开关机构的一个控制器，用于有选择地将所述AC机器连接到所述电源上和所述驱动装置的所述输出部分上，操作所述控制器来闭合所述第二开关机构，以便将所述电源的输出连接到AC机器而用所述电源的输出驱动所述AC机器，以及闭合所述第一开关机构，以便在所述驱动装置处于空载状态下将所述驱动装置的输出连接到所述AC机器，所述控制器还被操作用来：断开所述第二开关机构以便从所述AC机器上断开所述电源的输出，检测所述AC机器的工作状态，预处理所述驱动装置的输出以对应于检测到的工作状态，并且根据所述的预处理来控制所述驱动装置的输出。

附图说明

以下要通过最佳实施例和附图来解释本发明，在附图中：

图1是按照最佳实施例的一种切换系统的框图；

图2是在转换过程中电机速度相对于时间的曲线；

图3是转换过程的一个流程图；

图4是在最佳实施例的找准过程中电机速度相对于时间的曲线；

图5是最佳实施例的找准过程的一个流程图；

图6是最佳实施例的一种找准模块的框图；

图7是最佳实施例的找准控制逻辑的框图；以及

图8是最佳实施例中检测公用电源接触器断开的过程逻辑示意图。

具体实施方式

图1表示按照最佳实施例的电力转换系统10。系统10包括：供电干线12；它是一个频率为f的三相AC电源；电机驱动装置14，它是一个矢量控制的变频AC驱动装置；驱动装置输出接触器16(作为开关机构)；公用电源接触器18(也用做一个开关机构)；和电机20。从图中可见，可以控制接触器18和16的操作来有选择地将电机20连接到供电干线12和/或电机驱动装置14。控制器22在操作时被连接到接触器16和18，以便按照所需的方式控制接触器16和18的状态。控制器22可以是按照所需方式编程的微处理器式的装置、硬件模拟逻辑电路，或者是用来按照下文所讲述的方式控制接触器16和18的任何其它机构。

电机驱动装置14包括驱动控制器30，它具有包括用于按照公知的矢量控制技术来控制电机20的转矩的矢量控制算法指令的存储器。控制器30还包括准电压模块34，它包括一种按照电压跟随方式控制电机20的算法。为清楚起见，在本文中将准电压模块34描述成一个独立的元件，它可以由提供下述准电压控制模式的指令构成，并且不需要包括独立的硬件或软件。电机驱动装置20还包括具有由控制器30控制的桥式切换电路的输出部分64，用于按照公知的方式产生一个用来驱动电机20的输出信号。输出部分64包括公知的电机磁通锁相环(PLL)52。电机驱动装置20还包括具有线路锁相环PLL 70的输入部分68。为清楚起见而将控制器22和控制器30都描述成独立元件。然而，也可以用一个控制器实现二者的功能。

图2是在最佳实施例的转换过程中电机速度相对于时间的曲线，而图3是最佳实施例的转换过程的一个流程图。在步骤A中，让接触器18断开而接触器16闭合，在时间T1由控制器22产生一个转换指令，由电机驱动装置14的输出来控制电机20。在步骤B，电机驱动装置14在驱动控制器30的矢量控制下使电机20直线提速，直至电机20在时间T2达到稳态速度S。紧接着在时间T3，控制器30在步骤C产生一个内部同步指令，指示应该切换到准电压控制模式。为响应这一内部同步指令，在步骤D中的时间T4处用电机驱动装置14中的电子电路对电机频率采样，并且稳定电机驱动装置14的输出电压和频率，也就是维持在同步之前的最后值。在步骤E中，控制器30在准电压模块34的控制下切换到准电压控制模式。在图3的步骤F中，驱动装置14的输出电压和频率被固定并且作为准电压模式下的参考值。

在步骤G中，当电机驱动装置14处在准电压控制模式时，在时间T5按照公知的方法匹配、也即同步供电干线12和电机驱动装置14的输出信号，也就是电压的相位和幅值。特别是，输出频率的电机驱动装置14将被修整、也即被调整以使得电机驱动装置14的输出与公用电源12同相。由于准电压控制模式采用了电压跟随算法，所以用相位和电压调节器比较容易实现相位和电压匹配。另外，这种模式对负载扰动不敏感。在时间T6，控制器22在步骤H闭合接触器18。接着在步骤I中，控制器30把电机驱动装置14置为空载状态，也就是将其置为输出部分64不产生输出信号的状态，然后由控制器22断开接触器16，从而完成转换过程，并且由供电干线12为电机20供电。

图4是在找准过程中电机速度相对于时间的曲线，图5是最佳实施例的找准过程的一个流程图。在找准过程中，电机20从供电干线12供电切换到由电机驱动装置14供电。为了减少电流扰动、也即高低电流值，在找准过程中要求电机驱动装置14的输出电压与电机端电压严格匹配。在最佳实施例中跟踪各种电机状态，并且在激励电机驱动装置14、也就是产生输出信号之前进行预处理。在步骤A，在时间T1由控制器22产生一个找准指令，并且当电机驱动装置14处在空载、也就是不对电机20产生输出信号的状态下闭合驱动接触器16。在步骤B，按下文所述开始预处理电机驱动装置14。在步骤C的时间T2，由控制器22断开公用电源接触器18。在步骤D的时间T3检测公用电源接触器18的完全断开。例如可以用电机20的计数器电动势来检测断开的接触器18，或者是采用下文中具体描述的方法。在步骤E的时间T4激发电机驱动装置14的输出部分64，也就是按照一种方法选通输出部分64的桥式切换电路。按下文所具体描述的方式并根据各种电机状态来控制电机驱动装置14，以平滑地找准电机20，以便提供信号来驱动所述的电机20。在步骤F的时间T5，控制电机驱动装置14以接管对电机20的转矩和速度调节。

图6表示控制器30的找准模块36，它包括用于预处理和实现找准过程的指令。特别是找准模块36可以被预先编程在控制器30的一个存储器中，并且可以利用电机驱动装置14中的设备来检测各种电机状态。找准模块36的算法是从图4中的时间T2开始执行的，一直执行到激发驱动装置14的输出部分的那一时间T4。该算法的执行时间大约是1毫秒。然而，要完成预处理的数据转换需要若干毫秒。用电机驱动装置14的设备检测电机20的相位a和相位b之间的瞬时电压(Vab)以及检测电机20的相位b和相位c之间的瞬时电压(Vbc)，并且将其输入到电机磁通计算器50，以便按照公知的方式确定电机20的定子绕组中由Vab(Flux_ab)和Vbc(Flux_bc)所产生的磁通矢量。将计算的磁通矢量输入电机磁通PLL52以确定磁通矢量的角度、频率和磁通值。然后用以下公式按照计算指令54来计算为了找准而应该施加到电机20的端子上的指令电压，也就是瞬时电压：

1)Vx＝ωeFlux；以及

2)Vy＝Flux(R1/L1)

在公式中：ωe是电频率；

R1是电机定子绕组电阻；

L1是电机的磁化电感；而

Flux是磁通量。

然后，用Vx、Vy和磁通角预处理控制器30。如图7所示，Vx和Vy被输入到控制器30的电压调整和DC母线补偿模块60中。模块60的输出和角度信号一起被输入到矢量旋转和脉宽调制模块62，以便按照指令电压和角度产生选通信号。选通信号被传送到输出部分64的桥式切换电路，使得选通该桥式切换电路以产生用来驱动电机20的脉宽调制信号。脉宽调制信号是一种可变频率的脉冲电压信号，它会在电机20的定子绕组中感应出一个正弦电流，以便按照公知的方式控制电机20的转矩和速度。

闭环控制是这样实现的，用霍尔效应传感器等检测每一相的电机电压和电流，并且用解调模块66将电压和电流解调成矢量形式，以便反馈给电压调节和DC母线补偿模块60。当然，调制和解调是按照电机磁通PLL52计算的角度来执行的。

在图5的步骤C中检测公用电源接触器18的断开。图8表示用来执行该检测的逻辑。图8的逻辑可以在控制器30中编程，或者是通过独立的模拟或数字设备来实现。当两个接触器16和18都闭合时，线路PLL 70和电机磁通PLL 52的频率和电压幅值是相匹配的。然而，当公用电源接触器18断开时，电机磁通PLL 52的频率和幅值就会开始漂移。因此可以用线路PLL 70和电机磁通PLL 52之间的频率差来检测接触器18的断开。或者是对电机磁通PLL 52采样并且用其来计算随时间的漂移，从而指示出接触器18的断开。在这种情况下，ω1是ω1(t)，而ω2可以设置为ω1(t-1)。

如图8所示，在相加节点80上从线路PLL 70的输出频率ω2中减去电机磁通PLL 52的输出频率ω1。然后用滤波器82对相加节点80的输出进行滤波以消除噪声，用比较器84将滤波器82的输出、也就是电机磁通PLL52和线路PLL 70各自的输出频率之间的差与一个预定的门限T1相比较。如果这一频率差大于T1，就产生一个公用电源接触器断开信号。可以在逻辑中纳入一个延迟时间，以便让公用电源接触器18的触点完全动作。可以通过监视电机20的工作状态来确定T1的值。

如果电机20上具有比较大的惯性负载，则电机20在接触器18断开之后还会以大致相同的速度继续旋转。在这种情况下，因为电机磁通PLL 52中的漂移在公用电源接触器18断开之后变化很缓慢，所以所述过程就不起作用了。然而，电机PLL 52输出的电压V1则会以一个和惯性负载无关的速度下降。因此，在相加节点86上从线路PLL 70输出的电压V2中减去电机磁通PLL 52输出的电压V1，并且用比较器88将其结果与门限T2相比较。如果这一结果大于T2，就产生公用电源接触器断开信号。比较器88和84的输出是OR门90的输入，因此，任一条件都将产生公用电源接触器断开信号。在大多数情况下，频率比较是一种更快的指示器。然而，在大机械负载的情况下，电压比较是比较快的。

从最佳实施例中可以看出，在找准过程中检测电机状态，并且预处理电机驱动装置的输出，以便使其与电机的端电压相匹配。按照这种方式，在公用电源接触器断开之后可以很快地找准电机。这样就能避免按照常规的“先通后断”找准方式所产生的电流扰动，同时避免了和常规的“先断后通”找准过程有关的时间滞后和操作异常。另外，所述最佳实施例还可以在转换应用中采用矢量控制的电机驱动装置，或其它任何采取不同于电压随频率控制方案的装置。

本发明可以应用于采用矢量控制或不同于电压随频率控制方案的任何驱动装置。可以用各种算法来计算和应用预处理的变量。可以使用诸如接触器、手动开关、固体开关等任何形式的切换机构。电源可以是供电干线、发电机、不间断电源等任何类型。各种模块可以是能够实现为单个单元的独立硬件或软件。例如可以用各种模块给基于单个微处理器的控制器进行编程。最佳实施例中采用了电机。然而，本发明还可以应用于任何AC机器。

尽管上文中包括了许多细节和规定，应该意识到所包括的这些内容都仅仅是为了便于解释，不应被解释为是对本发明的限制。还可以对所述实施例作出许多修改，但它们将被纳入到以下的权利要求书及其法定等效物所限定的本发明原理和范围之内。

Claims

1.把AC机器从来自一个驱动装置的电力切换到来自一个电源的电力的一种转换方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将驱动装置的输出连接到AC机器；

利用一种矢量控制过程来用驱动装置的输出控制AC机器，

对AC机器的电频率采样；

将驱动装置的电压输出稳定在转换电压值；

将驱动装置的频率输出稳定在转换频率值；

按照一种准电压模式用转换电压值和转换频率值作为参考来控制驱动装置的输出；

在所述控制步骤之后使驱动装置的输出和一个电源的输出同步；

在所述同步步骤之后将电源连接到AC机器；并且

从AC机器上移去驱动装置的输出。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述移去步骤包括把驱动装置置为空载状态。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述移去步骤包括从AC机器上断开驱动装置的输出的连接。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，AC机器是一台AC电机。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，准电压模式是一种电压跟随模式。

6.把AC机器从来自一个驱动装置的电力切换到来自一个电源的电力的一种转换装置，其特征在于，它包括：

将一个驱动装置的输出连接到AC机器的装置，

利用一种矢量控制过程来用驱动装置的输出控制AC机器的装置；

将驱动装置的电压输出稳定在转换电压值上的装置；

将驱动装置的频率输出稳定在一个转换频率值上的装置；

按照一种准电压模式用转换频率值和转换电压值作为参考来控制驱动装置的输出的装置；

用来使驱动装置的输出和一个电源的输出同步的装置；

在所述同步装置已经使驱动装置输出与电源输出同步之后将电源连接到AC机器的装置；以及

在所述连接装置将电源连接到AC机器之后从AC机器上移去驱动装置输出的装置。

7.按照权利要求6的装置，其特征在于，所述移去装置包括把驱动装置置为空载状态的装置。

8.按照权利要求6的装置，其特征在于，所述移去装置包括从AC机器上断开驱动装置的输出的连接的装置。

9.按照权利要求6的装置，其特征在于，AC机器是一台AC电机。

10.按照权利要求6的装置，其特征在于，准电压模式是一种电压跟随模式。

11.把AC机器从来自一个驱动装置的电力切换到来自一个电源的电力的一种转换系统，其特征在于，该系统包括：

一个电源；

具有输出部分和输入部分的一个驱动装置，所述输入部分被连接到所述电源上；

连接到所述输出部分的第一开关机构；

连接到所述电源的第二开关机构；

连接到所述第一开关机构和所述第二开关机构的AC机器；以及

一个控制器，在操作中被连接到所述第一开关机构和所述第二开关机构上以控制所述第一开关机构和所述第二开关机构，使得将AC机器有选择地连接到所述电源上和驱动装置的输出部分上，操作所述控制器，以便在第一开关机构闭合而所述第二开关机构断开时、利用一种矢量控制过程来用驱动装置的输出控制AC机器的速度，将所述驱动装置的电压输出稳定在一个转换电压值上，并且将所述驱动装置的频率输出稳定在一个转换频率值上，还要操作所述控制器，使得按照一种准电压模式用转换电压值和转换频率值作为参考来控制所述驱动装置的输出，以便于同步所述驱动装置的输出和所述电源的输出，在所述驱动装置的输出与所述电源的输出达到同步之后闭合第二开关机构以便将所述电源连接到所述的AC机器上，并且随后从所述AC机器上移去所述驱动装置的输出。