一种变频软启动器切换过程冲击电流的抑制方法与流程

本发明属于异步电机变频调速技术领域，具体涉及一种抑制变频软启动器切换过程冲击电流的控制方法，可用于大功率工业电气传动、轨道交通以及船舶电力推进等领域。

背景技术：

异步电动机因其结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉、坚固耐用、效率较高等等特点，被广泛地应用于各个行业中，如工业电气传动、轨道交通、船舶电力推进等领域。

异步电机直接启动时，存在励磁冲击电流和转矩冲击电流，瞬时冲击总电流达额定电流的5～7倍，可能引起电网不稳定，甚至失电(如船舶电网)，也可能会导致电动机机械损坏，缩短使用寿命。为了克服异步电动机直接启动带来的问题，大功率异步电动机(如船舶艏、侧推电机)往往需要配套软启动器。

变频软启动器(softstarter)由整流器(rectifier)、逆变器(inverter)和控制器(controller)三部分组成，整流器将三相交流电变换为直流，逆变器受控制器调节将直流电变换成频率和幅值可控的三相交流电驱动电机(machine)运转。

变频软启动器因其控制灵活、启动过程平滑、对电网污染小而得到广泛应用。但是，变频软启动器在启动过程结束后，切换到交流电网供电过程中，因为异步电动机反电势u2与交流电网电压u1之间存在相位和幅值差异，切换瞬间冲击电流会比较大。如果不进行抑制，可能引起交流电网振荡和电动机使用寿命缩短等问题。

技术实现要素：

针对上述变频软启动器冲击电流，本发明提出了一种变频软启动器切换过程冲击电流的抑制方法，可有效降低切换瞬间冲击电流，实现切换过程的平滑过渡。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种变频软启动器切换过程冲击电流的抑制方法，包括电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差及幅值差补偿和主开关合闸延时预测补偿处理；

所述的电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差及幅值差补偿为:变频软启动器软启动完成后，即变频软启动器将异步电动机拖动至额定转速后，采用锁相环对交流电网电压u1进行锁相得到其相位和幅值，并对交流电网采样电压进行滤波相位、幅值等补偿后，将电动机反电势u2与交流电网电压u1的电压相位差作为转速控制环转速给定值的附加控制量，将电动机反电势u2与交流电网电压u1的电压幅值差作为磁链控制环磁链给定值的附加控制量，以调节输出电压相位和幅值使相位差、幅值差减小到可接受的动态区间；

所述的主开关合闸延时预测补偿处理为：当相位差和幅值差减小至可接受的动态区间时，发出主开关合闸指令，并对主开关合闸延时时间进行预测补偿处理后，变频软启动器停机，以减小软启动器停机后电动机反电势u2下降时间，降低电动机反电势u2与交流电网电压u1的差；

以此，通过减小变频软启动器启动完成后切换过程中异步电动机反电势u2与交流电网电压u1的相位和幅值差，而达到抑制冲击电流的目的。

进一步，所述的对交流电网采样电压进行滤波相位、幅值等补偿是：将交流电网电压u1经滤波器处理后导致相位滞后角度补偿到锁相环锁相角度中、导致幅值衰减幅值补偿到锁相环幅值中，以消除滤波器的影响。

更进一步，变频软启动器将电机拖动至额定转速并稳定运行后，控制器采集交流主电网三相电压，经锁相环(pll)锁相得到交流电网电压u1相位角θgrid、幅值uamp；将所述的相位角θgrid与滤波器相位滞后补偿角θfilter相加，然后再与电动机辨识角度θidf做差，得到电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差：

θdelta＝θgrid+θfilter-θidf(2)

所述的幅值uamp与滤波器幅值衰减的补偿值相加，然后再与电动机重构电压urebuilt即电动机反电势u2幅值做差，得到电动机反电势u2与交流电网电压u1幅值差：

udelta＝uamp+ufilter-urebuilt(2)

θdelta和udelta经pi调节器(g1(s)＝kp+1/(ts)，其中kp为比例调节参数，ti为积分调节参数)，输出转速附加给定值nextra和磁链附加给定值ψextra：

式(1)和式(3)将电压相位差转换为转速附加给定值nextra；式(2)和式(3)将电压幅值差转换为磁链附加给定值ψextra，转速附加给定值与转速给定值n^*相加作为转速环的给定值nref，磁链附加给定值与磁链给定值ψ^*相加作为磁链环的给定值ψref即

转速环的给定值nref、磁链环的给定值ψref和变频软启动器输出电流iabc、直流母线电压udc作为函数g3(s)输入，输出逆变器的脉冲驱动信号；g3(s)包含转速环、磁链环、电流环、磁链观测、转速辨识等功能；

将电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差作为转速给定值的附加控制量，将电动机反电势u2与交流电网电压u1幅值差作为磁链给定值的附加控制量；当相位差、幅值差减小至可接受的动态区间时，控制器发出主开关合闸控制信号sctrl，并对主开关合闸延时进行预测补偿处理g4(s)，以缩短变频软启动器与交流电网之间过渡的切换时间，减小电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差、幅值差；

通过主开关反馈状态信号sfbk判断变频软启动器是否切换成功。

本发明的有益效果是：本发明控制方法可有效降低电动机反电势u2与交流电网电压u1之间的相位和幅值差异，减小冲击电流，适用于大功率工业电气传动、轨道交通以及船舶电力推进等领域。

附图说明

图1为本发明控制方法的矢量运算原理图；

图2本发明变频软启动器原理框图；

图3本发明控制器原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合图1至图3，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

异步电机直接启动时，存在励磁冲击电流和转矩冲击电流，瞬时冲击总电流达额定电流的5～7倍，可能引起电网不稳定，甚至失电(如船舶电网)，也可能会导致电动机机械损坏，缩短使用寿命。

变频软启动器(softstarter)由整流器(rectifier)、逆变器(inverter)和控制器(controller)三部分组成，整流器将三相交流电变换为直流，逆变器受控制器调节将直流电变换成频率和幅值可控的三相交流电驱动电机(machine)运转。

针对变频软启动器切换过程的冲击电流问题，本发明采用控制输出电压相幅值跟踪交流电网电压u1相位、幅值，以减小电压相位差、幅值差，并对开关合闸延时进行预测补偿处理，进一步减小电压相位差、幅值差，达到抑制冲击电流的目的。

本发明以三相全桥变频软启动器为例研究异步电动机变频软启动器切换瞬间冲击电流的抑制方法。根据矢量运算的原理，电动机反电势u2与交流电网电压u1之间的差值包含两部分：相位差和幅值差。为了减小电压差从而达到抑制变频软启动器切换过程中的冲击电流的目的，必须从两个方面着手，即减小相位差和幅值差。

变频软启动器将电机拖动至额定转速并稳定运行后，控制器采集交流主电网三相电压，经锁相环(pll)锁相得到交流电网电压u1相位角θgrid、幅值uamp；将所述的相位角θgrid与滤波器相位滞后补偿角θfilter相加，然后再与电动机辨识角度θidf做差，得到电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差：

θdelta＝θgrid+θfilter-θidf(3)

所述的幅值uamp与滤波器幅值衰减的补偿值相加，然后再与电动机重构电压urebuilt即电动机反电势u2幅值做差，得到电动机反电势u2与交流电网电压u1幅值差：

udelta＝uamp+ufilter-urebuilt(2)

θdelta和udelta经pi调节器(g1(s)＝kp+1/(ts)，其中kp为比例调节参数，ti为积分调节参数)，输出转速附加给定值nextra和磁链附加给定值ψextra：

式(1)和式(3)将电压相位差转换为转速附加给定值nextra；式(2)和式(3)将电压幅值差转换为磁链附加给定值ψextra，转速附加给定值与转速给定值n^*相加作为转速环的给定值nref，磁链附加给定值与磁链给定值ψ^*相加作为磁链环的给定值ψref即

转速环的给定值nref、磁链环的给定值ψref和变频软启动器输出电流iabc、直流母线电压udc作为函数g3(s)输入，输出逆变器的脉冲驱动信号；g3(s)包含转速环、磁链环、电流环、磁链观测、转速辨识等功能，不属于本发明内容，故此不再赘述。

将电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差作为转速给定值的附加控制量，将电动机反电势u2与交流电网电压u1幅值差作为磁链给定值的附加控制量；当相位差、幅值差减小至可接受的动态区间时，控制器发出主开关合闸控制信号sctrl，并对主开关合闸延时进行预测补偿处理g4(s)，以缩短变频软启动器与交流电网之间过渡的切换时间，减小电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差、幅值差；

通过主开关反馈状态信号sfbk判断变频软启动器是否切换成功。

电动机反电势u2与交流电网电压u1相位差及幅值差减小至可接受的动态区间时，控制器发出主开关合闸信号，并对主开关合闸延时进行预测补偿处理后，变频软启动器停机，以减小软启动器停机后电动机反电势u2下降时间，抑制切换瞬间冲击电流。通过该相位、幅值补偿控制算法结合延时预测补偿处理可有效降低反电势和电网电压之间的相位差和幅值差，从而减小切换过程中的冲击电流。

本发明权利要求保护的范围不限于上述实施例。