CN201130918Y - 交流电动机双向电源切换控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交流电动机双向电源切换控制器，要解决的技术问题是实现交流电动机在变频电源及工频电源之间平稳快速无冲击切换。本实用新型的交流电动机双向电源切换控制器，具有三端双电源切换开关，切换开关一端与电动机连接，另两端分别接工频电源和变频电源，切换开关的正、反向切换驱动电路接控制器的输出端，控制器的输入端接工频电源电压信号采集电路和变频电源电压信号采集电路。本实用新型与现有技术相比，采用控制器，控制器根据采集的工频电源电压信号和变频电源电压信号进行计算后发出切换信号，使切换开关动作，消除了切换操作对电源的冲击。

Description

交流电动机双向电源切换控制器

技术领域

本实用新型涉及一种电源切换控制器，特别是一种使用变频电源及工频电源的各种电压等级及容量的单相、三相交流电动机(异步电动机或同步电动机)需要实施电源双向切换的控制器。

背景技术

变频电源基于能实现电动机无冲击软起动及可观的节能效益而被广泛应用，由于生产流程的要求，常常出现将电动机由变频电源切向工频电源，或反向切换的需求。当今各种应用场合所使用的切换方法可归纳为两类：(1)随机(无条件)切换；(2)在变频电源频率接近或等于工频电源频率(我国为50Hz)时切换。这两类切换都违背了两交流电源必须按电压、频率及相位相等或相近的原则，因而导致在切换电源过程中常常产生很大的冲击电流，甚至跳闸及诱发机电设备的猛烈振动，不仅危及设备的安全、降低使用寿命，而且诱发电网电压的大幅度波动。因运行电动机在脱离电源的时段实质上表现为交流发电机的特征，当将其切换到另一电源的过程中必须遵循同期条件。

发明目的

本实用新型的目的是提供一种交流电动机双向电源切换控制器，要解决的技术问题是实现交流电动机在变频电源及工频电源之间平稳快速无冲击切换。

本实用新型采用以下技术方案：一种交流电动机双向电源切换控制器，具有三端双电源切换开关，切换开关一端与电动机连接，另两端分别接工频电源和变频电源，所述切换开关的正、反向切换驱动电路联接到控制器的输出端，控制器的输入端连接有工频电源电压信号采集电路和变频电源电压信号采集电路。

本实用新型的控制器采用ARM7单片机。

本实用新型的工频电源电压信号采集电路采用小型低功耗线性电压互感器，所述变频电源电压信号采集电路采用小型低功耗线性电压互感器。

本实用新型单片机输入的工频电源电压和变频电源电压经硬件低通滤波器及软件数字滤波进行信号处理。

本实用新型单片机的输入端连接有切换开关辅助接点、闭锁切换操作接点、允许压差设置电路、允许频率设置电路、开关动作时间设置电路。

本实用新型的单片机输出正向切换信号至正向控制继电器，单片机输出反向切换信号至反向控制继电器，正向控制继电器和反向控制继电器分别连接切换开关的正向切换驱动电路和反向切换驱动电路。

本实用新型的单片机的输出端连接有相位显示器、信息指示灯。

本实用新型的正、反向切换开关辅助接点、闭锁切换操作接点经光电隔离器输入控制器。

本实用新型的控制器采用了同步表12个LED灯中的10个LED灯，用于在每次实行电源切换控制后自动测量切换开关的实际动作时间并通过给出测量结果。

本实用新型的工频电源电压采集采用小型低功耗线性电压互感器器，变频电源电压采集采用小型低功耗线性电压互感器器，切换开关辅助接点采用4N30型光电隔离器，闭锁切换操作接点采用4N30型光电隔离器，允许压差设置、允许频率设置、开关动作时间设置采用十进制拨码开关键盘，正向切换控制继电器采用小型电磁继电器，反向切换控制器采用小型电磁继电器，相位显示采用12个亮度LED发光二极管。

本实用新型与现有技术相比，采用控制器，切换开关的正、反向切换驱动电路联接到控制器的输出端，控制器的输入端连接工频电源电压信号采集电路和变频电源电压信号采集电路，控制器根据采集的工频电源电压信号和变频电源电压信号进行计算后发出切换信号，使切换开关动作，消除了切换操作对电源的冲击。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电路框图。

图2是本实用新型实施例的电路原理图。

图3是本实用新型的应用示例(一)。

图4是本实用新型的应用示例(二)。

图5是本实用新型的应用示例(三)。

图6是本实用新型实施例的控制程序流程图。

图7是本实用新型实施例的控制器面板布置图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。如图1所示，本实用新型的交流电动机双向电源切换控制器设有控制部件，用于将工频电压信号采集电路和变频电压信号采集电路采集的信息进行硬件滤波、A/D转换、数字滤波、比较、计算，然后输出控制信号去驱动切换开关动作。

如图2所示，控制器由ARM7单片机为核心的电路构成，控制器实时采集变频电源及工频电源的电压信息，从交流电压获取它们的电压差、频率差及相位差的实时值，不断计算实测电压差ΔU＝U_G-U_B和频率差Δf＝f_G-f_B与预先设置的允许压差给定值ΔU_y及允许频差给定值Δf_y比较，当这两个量的实测值小于给定值时，控制器立即转入快速求解以下微分方程的程序：

${\mathrm{\δ}}_k={\mathrm{\ω}}_S{t}_k+\frac{1}{2}\frac{d{\mathrm{\ω}}_S}{\mathrm{dt}}{t_k}^2+\frac{1}{6}\frac{d^2{\mathrm{\ω}}_S}{{d_t}^2}{t_k}^3$

式中：ω_S＝2π(f_G-f_B)为工频电源与变频电源的角频率差

t_k＝电源切换开关的动作时间(从接通开关操作电源到开关触头闭合的时间)

δ_k＝控制器发出切换电源命令的两电压最佳相位差合闸角

与此同时，控制器不断测量当前两电压U_G(工频电压)及U_B(变频电压)的实时相位差δ，当δ＝δ_k时控制器立即接通切换开关驱动电路，经t_k后开关由变频电源转接到工频电源，或由工频电源转接到变频电源，实现了电动机电源平稳无冲击切换。对于双速电动机需要进行高速向低速或低速向高速切换时，控制器可不受允许频差定值制约，完成在相角差为零时实现切换。

控制器的核心是ARM7单片机，在充分利用单片机内置的存贮器、模拟量输入、数字量输入、数字量输出接口、定时器、通讯接口的基础上，在单片机外增设了一定数量的输入/输出接口电路，以实现接收外部状态信号、显示相位信号、报警和控制切换等功能。

控制器的输入信号有：工频电源电压(单相)、变频电源电压(单相)、切换开关正、反向辅助接点、闭锁切换操作接点、压差设置电路、频率设置电路、开关动作时间设置电路。输出信号有：变频器升频控制接点、变频器降频控制接点、实施切换操作接点(接通切换开关驱动电路)、相位显示、信息指示灯。三端双电源切换开关一端与电动机连接，另两端分别接工频电源和变频电源，根据需要可设置变频器升压、降压控制接点。控制器输出正向切换信号至正向控制继电器，单片机输出反向切换信号至反向控制继电器，正向控制继电器和反向控制继电器分别连接切换开关的正向切换驱动电路和反向切换驱动电路。控制器电源取自工频电源，电压220VAC或110VAC。

对于额定工作电压为660VAC(含)以下的电压可直接取用交流电压的相电压或线电压作为控制器的输入信号，对于高于660VAC电源电压的电动机，则需通过将初级高压变为次级电压为100V的电压互感器取得信号电压。

输入控制器的工频电源电压及变频电源电压分别经电压互感器降压、隔离后进入控制器，由于这两个输入交流电压，特别是变频电源电压在变频器空载时波形为脉宽调制的高频矩形波，要从中提取电压、频率及相位的信息必须经过硬件滤波器及数字滤波处理，以获取电压基波的各参数。控制器对交流电压以每周40点的采样速度获取电压基波的幅值、频率及相位值，进而求出两电压的压差、频差及相位差。因此，控制器能在变频器空载时进行正常切换。在与给定的ΔU_y及Δf_y比较后，如均小于给定值，则控制器进入求解前述合闸角δ_k微分方程的流程，当某个时刻出现实时相位差δ＝δ_k时，控制器发出切换控制命令，完成电源平滑切换。

控制器通过十进制拨码开关输入切换开关正向及反向动作时间t_k1及t_k2(单位毫秒，三位)、允许压差ΔU_y(单位％额定电压，一位)、允许频差Δf_y(单位10^-1赫，一位)。由12个LED发光二极管构成了由软件控制的相位表，两相邻LED灯的角差为30°，其作用有三个：定性显示两输入电压的相位差、显示两电压频率差的极性，灯光顺时钟旋转表明变频电源频率高于工频电源频率、显示切换开关的实测动作时间，即t_k。

通过回收开关辅助接点变位信号可实现实测开关动作时间的目的。控制器在每次完成切换操作后，都会储存该次操作所测得的开关实际动作时间。面板上标有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十个LED灯在控制器完成切换操作后其中有三个灯将依次显示开关动作时间的百位、十位、个位(毫秒)，例如实测动作时间为328毫秒，则短暂按一下面板上的“复位”键后，首先“3”号灯点亮1秒，熄灭0.5秒后“2”号灯点亮1秒，熄灭0.5秒后，再接着“8”号灯点亮1秒，熄灭2秒继续前述循环，直到操作者读数后持续按“复位”键3秒钟后停止显示。

作为最佳实施例，工频电源电压采集采用小型低功耗线性电压互感器器，变频电源电压采集采用小型低功耗线性电压互感器器，切换开关辅助接点采用经4N30型光电隔离器输入，闭锁切换操作接点采用经4N30型光电隔离器输入，允许压差设置、允许频差设置、开关动作时间设置均采用十进制拨码开关输入。正向控制继电器采用小型电磁继电器，反向控制继电器采用小型电磁继电器，相位显示采用12个高亮度LED发光二极管。

如图6所示，本实用新型的交流电动机双向电源切换控制器设有控制器的控制程序流程为：上电或复位后，控制器首先读取正、反向切换开关辅助接点状态，读取设置参数，进行工频、变频电压采样及滤波，测量工频、变频电压差和频率差，测量当前相位角，计算最佳合闸角δ_k，捕捉首次出现的切换时机发出切换命令，随后测量开关实际动作时间。

本实用新型的交流电动机双向电源切换控制器设有控制器的面板布置如图7所示，控制器有三个状态指示灯，即电源指示灯(红色)、压差正向越限指示灯(黄色)、压差负向越限指示灯(绿色)。

本实用新型的交流电动机双向电源切换控制器设有控制器应用示例如下：

如图3所示，一台变频器配一台电动机，即1拖1。当变频器发生故障时，通过保护装置切断开关B₁、B₂后由切换控制器合上开关B₃，使电动机继续在工频电源驱动下运行。

如图4所示，一台变频器供多台电动机共用，即1拖N。1拖N的方式既可用于多台电动机依次由1台变频器进行软起动后再接入工频电源，以消除因电动机过大的起动电流对电网电压的影响。也可用于在各台电动机负荷变化时，将已近满载的电动机由变频电源切到工频电源，变频器只拖动当前还有调节容量的电动机。既实现了节能又降低了设备投资。不难看出这种切换有时是将电动机从变频电源切向工频电源，有时是将电动机从工频电源切向变频电源，即双向切换。

如图5所示，异步起动永磁转子同步电动机切换操作，异步起动永磁转子同步电动机定子具有两个绕组，一个是起动绕组，一个是运行绕组，起动绕组的极对数是运行绕组的一半，这样使电动机异步起动时起动电流很小，故先将三相电压投向起动绕组，电动机的起动转速接近或等于同步速时将电源由启动绕组切向运行绕组完成电动机的平稳起动。这一起动方式实质是将永磁转子在运行绕组中感应的交流电势与工频电源进行同期接通。

前述三种应用方式的切换，都必须遵循交流电源的同期原则，即在压差和频差小于给定值时捕捉相位差为零的时机实现切换。因在交流电动机运转过程中脱离电源的时段内电动机表现为交流发电机的特征。

本实用新型的交流电动机双向电源切换控制器设有控制器的技术要点：

(1)高智能化、高性价比、免维护。

(2)精确性：确保切换电源时冲击最小，几近于零。这是由控制算法决定的，即在压差及频差进入允许范围时，通过快速求解计及频差ω_S的一阶及二阶导数的合闸角δ_k微分方程实现的。控制算法中还计入了电动机脱离电源时段内频率及电压下降的参数修正。

(3)快速性：表现为能捕捉到首次出现的切换时机，这是建立在合闸角预测算法基础上得以保证的。其原理是：通过快速计算理想合闸角δ_k及测量当前实际相位差δ，并计算出当前Δδ＝δ-δ_k的值及其在ω_S、

共同作用下的行程时间t_Δ，t_Δ如大于求解δ_k的计算周期t_j，表明切换时机未到，控制器继续求解的δ_k、δ、Δδ及t_Δ，直到t_Δ≤t_j时，控制器立即在延时t_Δ后发出切换命令，确保捕捉到首次出现的切换时机。

(4)快速精确的数字滤波算法：变频电源的输出电压波形混杂有极为丰富的谐波及直流分量，特别是在变频器空载时的电压波形是脉宽调制(PWM或SPWM)的矩形波，难以用常规正弦波电压的算法获取电源的电压、频率及相位信息。因此，控制器采用了快速数字滤波算法，提取了变频电源输出电压的基波，保证了控制器切换的精确性。

(5)自动测量切换开关的正、反向切换动作时间：控制器每完成一次切换即可提供一次实测的开关动作时间，以此作为修改开关动作时间定值的依据，保证切换电源时的冲击最小。

(6)简洁、经济、可靠的人机界面：考虑到性价比的指标，控制器摒弃了常规的LCD液晶显示屏，不仅降低了造价，还可适应在低温(-10℃以下)环境下(如油田)的使用。选用拨码开关设置参数、使用由LED发光二极管构成的相位表等都体现了设计的可靠性、经济性及免维护性的特点。交流电动机作为各行各业大面积普遍采用的动力机械，它们是消耗电能的大户，一旦与变频电源结合起来产生的节能效益是可观的，但当前各行业都毫无例外的使用“随机”的电源切换方式，频繁的切换冲击大大降低了电动机及其传动机械的使用寿命，并导致对电网电压的强烈扰动。本实用新型技术彻底消除了切换电源的冲击，不仅提高了机械的寿命，净化了电能质量，而且为大面积推广有显著节能效果的变频电源的使用创造了有利条件。

Claims (10)

1.一种交流电动机双向电源切换控制器，具有三端双电源切换开关，切换开关一端与电动机连接，另两端分别接工频电源和变频电源，其特征在于：所述切换开关的正、反向切换驱动电路联接到控制器的输出端，控制器的输入端连接有工频电源电压信号采集电路和变频电源电压信号采集电路。

2.根据权利要求1所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述控制器采用ARM7单片机。

3.根据权利要求2所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述工频电源电压信号采集电路采用小型低功耗线性电压互感器，所述变频电源电压信号采集电路采用小型低功耗线性电压互感器。

4.根据权利要求3所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述单片机输入的工频电源电压和变频电源电压经硬件低通滤波器及软件数字滤波进行信号处理。

5.根据权利要求4所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述单片机的输入端连接有切换开关辅助接点、闭锁切换操作接点、允许压差设置电路、允许频率设置电路、开关动作时间设置电路。

6.根据权利要求5所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述单片机输出正向切换信号至正向控制继电器，单片机输出反向切换信号至反向控制继电器，正向控制继电器和反向控制继电器分别连接切换开关的正向切换驱动电路和反向切换驱动电路。

7.根据权利要求6所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述单片机的输出端连接有相位显示器、信息指示灯。

8.根据权利要求7所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述正、反向切换开关辅助接点、闭锁切换操作接点经光电隔离器输入控制器。

9.根据权利要求8所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述控制器采用了同步表12个LED灯中的10个LED灯，用于在每次实行电源切换控制后自动测量切换开关的实际动作时间并通过给出测量结果。

10.根据权利要求9所述的交流电动机双向电源切换控制器，其特征在于：所述工频电源电压采集采用小型低功耗线性电压互感器器，变频电源电压采集采用小型低功耗线性电压互感器器，切换开关辅助接点采用4N30型光电隔离器，闭锁切换操作接点采用4N30型光电隔离器，允许压差设置、允许频率设置、开关动作时间设置采用十进制拨码开关键盘，正向切换控制继电器采用小型电磁继电器，反向切换控制器采用小型电磁继电器，相位显示采用12个亮度LED发光二极管。

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