变频器、旁路变频控制系统及其切换控制方法与流程

本发明属于电机驱动控制技术领域，涉及一种变频器、旁路变频控制系统和使用该旁路变频控制系统的乘客运输机、以及旁路变频控制系统的切换控制方法。

背景技术：

交流电机广泛用作系统中的驱动部件，通过控制交流电机从而控制系统的运转。以扶梯（escalator）为例，其使用交流电机作为驱动电机，从而驱动扶梯运转，其中梯级的运行速度是受电机影响的。从电机的控制上区分，扶梯可以分为工频扶梯、全变频扶梯和旁路变频扶梯。其中，旁路变频扶梯由于具有舒适、安全等优点而越来越被用户接受。

以旁路变频扶梯为示例，其使用旁路变频控制系统来驱动控制电机，电机在运转过程中，存在供电切换的问题。例如，在起动阶段使用变频器输出的电压信号来供电并控制电机线性增速到正常速度，在进入正常运行阶段（一般以基本恒定的正常速度运行）时，需要切换到使用电网电压信号来供电并控制电机以正常速度运行。为实现平滑切换，一般地，在旁路变频控制系统中会设置同步器，该同步器可以对变频器输出的电压信号和电网电压信号进行采样并监测它们之间的频率和相位的同步性，直到满足同步性要求时同步器发出进行上述切换的指令，从而，实现平滑切换，减小冲击电流、扶梯在该切换过程产生的冲击小。

技术实现要素：

按照本发明的第一方面，提供一种变频器，其接入具有相应的第一频率和第一相位的电网电压信号，所述变频器被配置为能够工作于跟踪同步状态，在所述跟踪同步状态下，所述变频器跟踪所述电网电压信号的第一频率和第一相位以使其输出的电压信号的第二频率和第二相位分别基本同步于所述电网电压信号的第一频率和相应的第一相位。

按照本发明的第二方面，提供一种旁路变频控制系统，包括并行地设置的第一供电电路和第二供电电路，其中所述第一供电电路能够供电输出所述电网电压信号至电机；所述旁路变频控制系统还包括：

设置在所述第二供电电路上的本发明第一方面的上述变频器，从而使所述第二供电电路能够供电输出所述变频器输出的电压信号至所述电机；

其中，所述变频器还被配置为：在确定输出的电压信号的第二频率和第二相位分别基本同步于所述电网电压信号的第一频率和第一相位时发出切换指令以实现对应所述第一供电电路的所述电网电压信号的供电输出与对应所述第二供电电路的变频器输出的电压信号的供电输出之间的切换。

按照本发明的第三方面，提供一种旁路变频控制系统的切换控制方法，其包括步骤：

采样电网电压信号以获取相应的第一频率和第一相位以及采样所述变频器输出的电压信号以获取相应的第二频率和第二相位；

通过跟踪所述电网电压信号的第一频率和第一相位，使所述变频器输出的电压信号的第二频率和第二相位分别基本同步于所述电网电压信号的第一频率和相应的第一相位；以及

在确定输出的电压信号的第二频率和第二相位分别基本同步于所述电网电压信号的第一频率和第一相位时发出切换指令。

按照本发明的第四方面，提供一种乘客运输机，包括电机，其中，还包括本发明第二方面的上述旁路变频控制系统。

根据以下描述和附图本发明的以上特征和操作将变得更加显而易见。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是按照本发明一实施例的旁路变频控制系统的电路结构示意图。

图2是按照本发明一实施例的变频器的模块结构示意图。

图3是按照本发明一实施例的旁路变频控制系统的切换控制方法流程图。

图4是图1所示实施例的旁路变频控制系统在应用于扶梯时的控制时序示意图。

具体实施方式

现在将参照附图更加完全地描述本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。但是，本发明可按照很多不同的形式实现，并且不应该被理解为限制于这里阐述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开变得彻底和完整，并将本发明的构思完全传递给本领域技术人员。附图中，相同的标号指代相同的元件或部件，因此，将省略对它们的描述。

附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或者在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或者在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

在本文中，乘客运输机包括扶梯（escalator）和移动人行道（movingwalker）。以下实施例中，以扶梯为示例对本发明实施例的乘客运输机进行说明，并且是以扶梯的运行工况及其控制进行示例说明的，但是，应当理解到，本发明以下实施例的变频器、旁路变频控制系统可以类推地应用到具有类似运行工况要求的其他系统中，可能需要发生的例如适用性的改进是本领域技术人员在本发明实施例的教导下能够获知的。

图1所示为按照本发明一实施例的旁路变频控制系统的电路结构示意图；图2所示为按照本发明一实施例的变频器的模块结构示意图。以图1所示实施例的旁路变频控制系统应用于本发明实施例的扶梯为示例，以下结合图1和图2对本发明实施例的变频器120和旁路变频控制系统10进行说明。

如图1所示，旁路变频控制系统10用于为电机20供电并控制其运转。电机20具体为三相交流电机，其具体类型和/或数量不是限制性的。旁路变频控制系统10包括并行地设置的第一供电电路11和第二供电电路12，第一供电电路11和第二供电电路12同时能够从电网90接入电网电压信号vg，第一供电电路12和第二供电电路12分别设置有可控的开关k1和开关k2，具体地，开关k1和开关k2可以为接触器。其中，第一供电电路11能够（例如开关k1导通的情况下）供电输出电网电压信号vg至电机20。

在第二供电电路12上，还设置有变频器120，变频器120与开关k2串联地设置。因此，开关k2能够控制第二供电电路12是否能够供电输出变频器120输出的电压信号vf至电机20。需要说明的是，开关k1和开关k2避免同时导通，从避免同时输入电网电压信号vg和电压信号vf至电机20。

具体而言，开关k1和开关k2的导通和切断时受变频器120中的控制器130而控制的。控制器130与变频器120耦接，它们之间可以通信地传输某些信号，例如，如下所述的切换指令等。控制器130通过控制开关k1和开关k2的动作，从而可以方便地控制对电机20的供电输出，尤其地可以控制旁路变频控制系统10的供电输出的切换，例如，旁路变频控制系统10的供电输出从电网电压信号vg切换为电压信号vf、或者由电压信号vf切换为电网电压信号vg，对电机20而言，其供电由电网电压信号vg切换为电压信号vf、或者由电压信号vf切换为电网电压信号vg。

变频器120从电网90接入例如三相交流电（例如电网电压信号vg），其不限于能够对三相交流电进行变频处理从而输出变频后的交流信号，变频器120输出的电压信号vf驱动控制电机20时，电机20的运转速度可以受电压信号vf频率、电压大小等控制，控制方便简单。

在一实施例中，为实现上述切换的平滑过度，变频器120还能够工作于跟踪同步状态，在跟踪同步状态下，变频器120跟踪电网电压信号vg的第一频率f1和第一相位p1以使其输出的电压信号vf的第二频率f2和第二相位p2分别基本同步于电网电压信号vg的第一频率f1和第一相位p1。为实现上述跟踪和同步，变频器120可以实时地从第一供电电路11和第二供电电路12上分别采集电网电压信号vg和电压信号vf，从而获得它们的当前的频率和相位。变频器120还被配置为在确定实现上述基本同步时（即电压信号vf的第二频率f2和第二相位p2分别基本同步于电网电压信号vg的第一频率f1和相应的第一相位p1时）发出切换指令，例如发送切换指令至控制器130，控制器130进一步可以基于该切换指令控制开关k1和k2，例如，控制k2关断、k1导通，从而，实现平滑切换，即由电机20电压信号vf供电驱动切换为由电网电压信号vg供电驱动，特别是在应用在扶梯时，切换过程产生的冲击电流小，避免扶梯产生抖动现象，乘客体验好。

需要说明的是，“基本同步”是指它们之间的差异小于或等于用户所能接受的预定值的范围，例如，在第一频率f1为50hz的情况下，第一频率f1和第二频率f2之间的差的绝对值小于或等于0.1-3hz（例如0.5hz），第一相位p1和第二相位p2之间的差的绝对值小于或等于0.1-5度（例如2度）。要求同步性越好时，可以设置越小的预定值。

在一实施例中，具体而言，如图2所示，变频器120中设置有采样模块121，其一方面可以采样电网电压信号vg，从而获取电网电压信号vg的第一频率f1和第一相位p1，另一方面可以同时采样变频器120输出的电压信号vf，从而获取电压信号vf的第二频率f2和第二相位p2。采样模块121例如可以通过采样电阻等硬件来实现，可以设置在变频器120的主体的内部或外部。采样模块121可以是实时地采样，因此，例如电网电压信号vg因电网波动而导致其第一频率f1和第一相位p1产生波动时，当前的第一频率f1和第一相位p1的变化被实时地获取。

继续如图2所示，变频器120中还设置有锁相模块122和输出电压和频率控制模块123，其中，输出电压和频率控制模块123在跟踪同步状态下使变频器130输出的电压信号vf的第二频率f2与电网电压信号vg的第一频率f1趋于同步、以及在第二频率f2与第一频率f1实现基本同步的情况下使变频器输出的电压信号vf的第二相位p2与电网电压信号vg的第一相位p1趋于同步；锁相模块122在跟踪同步状态下确定输出的电压信号vf的第二频率f2和第二相位p2分别基本同步于电网电压信号vg的第一频率f1和第一相位p1；

具体而言，在一实施例中，锁相模块122可以将从采样模块121接收的当前的电网电压信号vg的第一频率f1和相应的第一相位p1、以及当前的电压信号vf的第二频率f2和相应的第二相位p2发送给输出电压和频率控制模块123，输出电压和频率控制模块123首先比较第一频率f1和第二频率f2，如果它们之间的差值的绝对值大于预定值（例如0.5hz），那么输出电压和频率控制模块123控制其电压信号vf的第二频率f2朝向第一频率f1线性变化，例如，线性增大或线性减小，直到它们之间的差值的绝对值小于或等于该预定值（例如0.5hz），然后，输出电压和频率控制模块123比较第一相位p1和第二相位p2，如果它们之间的相位差值的绝对值大于预定值（例如2度），那么输出电压和频率控制模块123控制其电压信号vf的第二相位p2朝向第一相位p1变化，例如，每10ms增加2度或每10ms增加减少2度，从而实现当前的电压信号vf的频率和相位趋于同步于当前的电网电压信号vg的频率和相位。在以上两方面的比较均小于或等于相应的预定值的情况下，电压和频率控制模块123反馈比较结果至锁相模块122，从而锁相模块122确定输出的电压信号vf的第二频率f2和第二相位p2分别基本同步于电网电压信号vg的第一频率f1和第一相位p1，锁相模块122进行锁相动作，输出电压和频率控制模块123锁相输出具有相应的第二频率f2和第二相位p2的电压信号vf，成功实现锁相，并且发出切换指令。

继续如图2所示，变频器120还包括命令收发模块124和状态切换模块125，命令收发模块124至少接收（例如从控制器130接收）用于触发变频器120工作于所述跟踪同步状态的同步指令，还接收从锁相模块122发出的切换指令，命令收发模块124还可以将其接收的切换命令发送给外部的控制器130；状态切换模块125根据同步指令控制变频器120在不同工作状态之间的切换，例如，在跟踪同步状态和正常运行状态之间的切换，具体可以控制输出电压和频率控制模块123在不同工作状态之间的切换，在正常运行状态下，输出电压和频率控制模块123可以根据外部控制信号控制变频器120输出的电压信号vf的电压大小和频率，其可以不主动跟踪电网电压信号vg的频率等。状态切换模块125具体可以通过状态机等实现。

需要说明的是，上述跟踪同步状态下的同步过程中，即使电网90的电网电压信号vg发生不同程度的波动（例如不同国家或地区的电网电压信号vg波动不同），变频器120可以被配置为动态地跟踪电网电压信号vg的第一频率f1和第一相位p1以使其输出的电压信号vf的第二频率f2和第二相位p1分别基本动态地同步于电网电压信号vg的第一频率f1和第一相位p1。因此，即使电网电压信号vg发生波动或波动较大，也可以良好地实现同步。

本发明以上实施例的变频器120可以通过主动调整其输出的电压信号vf的频率和相应相位来主动跟踪电网电压信号vg的频率和相应相位，而不是如现有技术中的同步器来被动地等待它们之间的同步（该等待过程的等待时间长，并且根据变频器输出与电网频率相位来确定，如果在电网电压信号波动比较大的情况下甚至不能实现同步功能。），因此，不但同步性好，而且可以快速地实现同步，尤其是在电网电压信号vg发生波动或波动较大的情况下，在接收到同步指令后可以快速实现电压信号vf与当前电网电压信号vg的之间的频率和相位的同步。并且，本发明实施例的变频器120可以通过例如软件方式实现，相对现有的变频器并不增加或不明显增加硬件成本。应用本发明实施例的变频器120的旁路变频控制系统10可以省去现有技术中使用的同步器，成本大大降低，并且，同步效率高，在供电输出之间的切换动作之前的等待时间少，尤其适用于电网电压信号vg波动较大的情形；而且，由于同步性好，易于实现精确同步（例如调整上述预定值），因此，旁路变频控制系统10在进行电网电压信号vg的供电输出与对应第二供电电路12的变频器120输出的电压信号vf的供电输出之间的切换时，对电机20产生的冲击电流小，扶梯的梯级的抖动更小，乘客体验更好。

需要说明的是，以上实施例中的电网电压信号vg并不限于直接从电网获取的交流电压信号，也可以是其他类似的可以作为变频器的输入的交流电压信号。

图3所示为按照本发明一实施例的旁路变频控制系统的切换控制方法流程图。结合图1和图3所示，说明本发明实施例的旁路变频控制系统10的切换控制方法。

以旁路变频控制系统10应用于扶梯为示例，首先判断是否接到开机命令，即步骤s310，直到判断为“是”，开机指令将被控制器130接收，控制器130基于该开机指令控制k2导通(on)、k1关断(off)，即步骤s320，此时，通过变频器120输出的电压信号vf对电机20进行供电输出。

进一步，步骤s330，变频器输出的电压信号vf的电压和频率f2线性上升，相应地，电机20速度大致线性提升，扶梯的梯级的运行速度也大致线性提升，完成扶梯的起动过程，在该起动过程中，乘客体验好。

进一步，在起动过程完成后，需要从电压信号vf对应的供电输出切换到由第一供电电路11的电网电压信号vg对应的供电输出。因此，进入步骤s340，判断条件│f2─f1│≤0.5hz当前是否成立，如果判断为“否”返回步骤s330，从而使第二频率f2向第一频率f1不断地趋于同步或相同；直到判断为“是”，进入步骤s350，判断条件│p2─p1│≤2度当前是否成立。

如果判断为“否”进入步骤s351，进一步判断相位p2是否滞后于相位p1，如果判断为“是”，控制相位p2按例如每2ms增加2度进行调整，如果判断为“否”，则表示相位p2超前于相位p1，控制相位p2按例如每2ms减少2度进行调整；直到步骤s350中判断为“是”，则确定变频器120输出的电压信号vf与电网电压信号vg在频率和相位方面均基本实现同步，进入步骤s360，变频器120的锁相模块122锁相成功，发出切换指令。

进一步，步骤s370，控制器130可以基于该切换指令控制开关k1和k2，也即控制k1导通(on)、k2关断（off），此时，旁路变频控制系统10的供电输出由变频器120输出的电压信号vf平滑地切换到电网电压信号vg。此次切换控制过程基本完成。

将理解，以上切换控制过程具有速度快、效率高的优点，并且，切换对电机20产生的冲击电流小。并且，以上切换控制过程并不限于应用开机后，在电压信号vf和电网电压信号vg之间的频率和相位不同步且需要进行切换操作时，同样可以应用上述切换控制过程。

图1所示实施例的旁路变频控制系统10以及图3所示实施例的切换控制方法可以应用于本发明一实施例的扶梯中。图4所示为图1所示实施例的旁路变频控制系统10在应用于扶梯时的控制时序示意图。本发明实施例的扶梯可以工作于起动阶段、正常运行阶段、半频运行阶段、减速停止阶段。在图4中，示出了开机命令、变频器120输出的电压信号vf的频率f2、切换指令、开关k2的状态、开关k1的状态以及电机的速度。

如图4所示，在t1时刻，开机指令触发开机（低电平变换至高电平来表示），此时，控制开关k2导通（on）；同时，开关k1保持关断（off）状态、变频器120的输出的切换指令保持为低电平（表示此时不需要切换），变频器120输出的电压信号vf的频率f2准备上升。

在随后的t2时刻，变频器120输出的电压信号vf的频率f2开始线性地上升，电机20的速度也开始逐渐增大，直到t3时刻，电压信号vf的频率f2基本等于电网电压信号vg的频率f1，此时，电机20的速度上升到正常运行时的速度；并且，在此时，变频器120开始工作于跟踪同步状态，为随后的切换作准备。

在t3至t4时间段，执行如图3所示的步骤s350、s351、s352、s353和s360，直到在t4时刻，锁相成功并发出切换指令，即切换指令由低电平变化为高电平，此时，相应地，控制开关k2关断（off），在随后很短时间内的t5时刻，控制k1导通（on），从而，在t4至t5时间段，完成由旁路变频控制系统10的供电输出由电压信号vf平滑地切换到电网电压信号vg，电机20的速度基本保持不变，梯级抖动小。

在t5至t6时间段，扶梯保持在正常运行阶段，电机20受电网电压信号vg驱动，在该t5至t6时间段，变频器120输出的电压信号vf的频率f2和相位p2基本保持不变。

直到t6时刻，例如如果扶梯的梯级上在预定时间段内没有乘客，为减小能量消耗，准备进入半频运行阶段。此时，需要由电网电压信号vg供电变化为电压信号vf供电，此时，开始驱动开关k1关断（off）、开关k2导通（on），直到在t7时刻完成对开关k1和k2的切换控制。在此过程中，由于变频器120输出的电压信号vf的频率f2和相位p2基本保持不变，不需要对其进行类似t3至t4时间段的同步操作。

在t7至t8时间段，变频器120控制其输出的vf的频率f2从例如50hz线性下降至25hz，相应地，电机20的速度逐渐下降至原来的大致一半。然后，在t8至t9时间段保持不变。

在t9时刻开始进入减速停止阶段，例如，在半频运行阶段运行一定时间后未检测到有乘客乘坐扶梯，需要为关机停止作准备。在t9至t10时间段，变频器120控制其输出的vf的频率f2从例如20hz线性下降至0hz，相应地，电机20的速度逐渐下降至基本为0。在随后的t11时刻，开机指令触发关机，同时，开关k2也变化为关断（off）。

以上示例了扶梯的电机20从开机至关机的一次运行过程中的控制时序图。需要说明的是，如果在半频运行阶段直接转入正常运行阶段，需要重新进行类似t3至t4时间段的切换控制过程。

需要说明的是，本文公开和描绘的元件（包括附图中的流程图和方块图）意指元件之间的逻辑边界。然而，根据软件或硬件工程实践，描绘的元件及其功能可通过计算机可执行介质在机器上执行，计算机可执行介质具有能够执行存储在其上的程序指令的处理器，所述程序指令作为单片软件结构、作为独立软件模块或作为使用外部程序、代码、服务等的模块，或这些的任何组合，且全部这些执行方案可落入本公开的范围内。

虽然不同非限制性实施方案具有特定说明的组件，但本发明的实施方案不限于这些特定组合。可能使用来自任何非限制性实施方案的组件或特征中的一些与来自任何其它非限制性实施方案的特征或组件组合。

虽然示出、公开和要求了特定步骤顺序，但应了解步骤可以任何次序实施、分离或组合，除非另外指明，且仍将受益于本公开。

前述描述是示例性的而非定义成受限于其内。本文公开了各种非限制性实施方案，然而，本领域的一般技术人员将意识到根据上述教示，各种修改和变更将落入附属权利要求的范围内。因此，将了解在附属权利要求的范围内，可实行除了特定公开之外的公开内容。由于这个原因，应研读附属权利要求来确定真实范围和内容。