一种用于变频器与工频电网无冲击切换方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于变频器与工频电网无冲击切换方法，在可以实现电机软起并能实现与电网同步的变频器上，通过加装两个变频器输出电流传感器，实时测量预并网工况下电机的实时功率，然后将变频器转为直接功率控制并将直接功率控制的给定值设定为电机的实时功率，随后将变频器与工频电网并联起来，并联完成后，逐渐减小变频器的功率给定值至零，然后切除变频器，实现电机工频电网供电。电机的软停机过程与之相反。本发明根据需要将变频器的控制方法在恒压频比控制等控制方式与直接功率控制模式之间切换，实现了电机及其负载软启动及软停机工况下工频电网与变频器之间无冲击切换，达到了目标电源的无电流分断与闭合，避免了传统方法存在的暂态过程，提高了整个系统的可靠性。
【专利说明】
一种用于变频器与工频电网无冲击切换方法
技术领域
[0001]本发明涉及电力电子设备，尤其是变频器带载起动并切换至工频电网的应用领域。
【背景技术】
[0002]交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，对于需要带载起动场合一般采用变频软起动方案，即用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速。变频软起动采用电压/频率按比例控制、无速度传感器控制等方法，不会产生过电流;可提供等于额定转矩的起动力矩，适合于需重载或满载起动的设备。
[0003]如果变频器仅承担软起动的任务，不作调速运行，则在变频器带动电机达到额定转速后，将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。例如，母管制多栗恒压供水系统就是一个典型的例子。当水压过高需要停栗时，为了避免“水锤效应”，不允许突然切断水栗电源，而要求逐渐降低转速缓慢停车。这时就要将电动机再切换到变频器拖动，实现减速停车。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。
[0004]采用变频电源与工频电源之间切换，主要有以下优点:I)可以减少切换中的冲击电流、转矩，延长设备的使用寿命;2)具有较好的节能效果;3)可以大大减少供电变压器的容量。
[0005]变频到工频的切换方法主要有以下四种:
I)直接切换。指在保证变频器与电网电源相序一致的前提下，直接倒闸切换工频电源与变频电源，直接切换时不检测电压的幅值、频率和相位。这种方式要求系统及保护能够容许切换时的波动和冲击，因而很少使用。
[0006]2)异步切换。指检测电压的幅值和频率而不检测电压相位的切换。异步切换时最严重的情况出现在变频器输出电压与电网电压的相位差180°时，会造成很大的冲击电压和电流，冲击电流最大可达额定电流的30倍左右。这种方式要求系统能够容许切换时的冲击和转矩变化，一般只用于小功率低压变频系统。
[0007]3)同步切换。指检测电压的幅值、频率和相位的切换。采用同步切换技术可以使切换电流不超过电机额定电流的2.5倍，同步切换时，转速在工频电源投人前后变化极小。
[0008]4)软切换。指在检测电压的幅值、频率和相位后，控制变频器输出同频、同相、幅值可控的电压，实现“无扰”切换。软切换有先投后切和先切后投两种情况。工频电源切换到变频电源的过程中，首先利用相位检测和锁相控制使变频电源与电机端残压相位保持一致，在变频器的V/F保持基本不变的基础上，选择最优的高压变频器切换运行点，调整变频器的输出电压和频率。这样，投入高压变频器时电机基本无冲击电流，电机的转矩基本保持不变。变频电源切换到工频过程中，用锁相环锁定工频电源的相位和频率，控制高压变频器使电机在稍微高于额定电压和频率的状态下进行切换。这样，就可以实现高压变频电源与工频电源之间的软切换。
[0009]从上述介绍可以看出，现有的变频电源与工频电源的切换存在以下问题:I)功率冲击。无论是在变频电源切换至工频电源或者是从工频电源切换至变频电源，都存在满载工况断开电源或封锁脉冲的操作，因此无论对电网或者变频电源都存在功率冲击。2)产生暂态过程。电机负载均为感性负载，在一个感性回路中突然断开电路，必然会产生截流过电压，对相应部件产生冲击。3)电机负载都存在供电死区。由于现有方法均是切除当前供电电源，然后在投入另外一个电源，因此电机必然存在供电死区。
【发明内容】
[0010]鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是提供一种用于变频器与工频电网无冲击切换方法，在需要进行变频电源与工频电源带载切换时，能够控制负载功率在工频电源与变频电源可控切换，从而实现切除或闭合对应目标电源时无流分断或无流闭合。
[0011 ]本发明的目的是通过如下的手段实现的:一种用于变频器与工频电网无冲击切换方法，在由变频器、两个变频器输出电压传感器TVl和TV2、两个变频器输出电流传感器TAl和TA2、两个工频电网电压传感器TV3和TV4以及控制变频器投切的开关K1、控制工频电源投切K2组成的系统中，实时测量预并网工况下电机的实时功率，根据需要将变频器的控制方法在恒压频比控制等软启动方法与直接功率控制模式之间切换，实现电机及其负载软启动及软停机工况下工频电网与变频器之间无冲击切换，包括如下的处理过程:
A.电机及其负载由变频电源切换至工频电源过程:
1)闭合开关K2变频器采用常规的恒压频比控制方式起动，起动加速至额定速度后，利用变频器输出端电压传感器TVl和TV2、工频电源电压传感器TV3和TV4实现预并网，使变频器输出端电压与工频电源电压相位、幅值、频率及相序完全一致；
2)待电机运行稳定后，利用变频器输出电压传感器TVl和TV2、变频器输出电流传感器TAl和TA2计算当前条件下电机的实时有功功率和无功功率并作为直接功率控制模式下有功功率参考P*、无功功率参考Q*;
3)将变频器转为直接功率控制，直接功率控制中所需的电压幅值信号、相位信号均为工频电源电压信号，直接功率控制所需的功率参考给定为P*、Q* ；
4)闭合开关K1，变频器与工频电源并联运行；
5)降低变频器的功率给定至零，电机负载功率按照一定的速率向工频电源转移;待变频器的输出功率完全降为零后，断开K2，实现变频器的切除；
B、电机及其负载由工频电源切换至变频器并软停机过程:
1)起动变频器并采用直接功率控制，直接功率控制中所需的电压幅值信号、相位信号均为工频电源电压信号，直接功率控制所需的功率参考给定均为零；
2)闭合开关K2，将变频器与工频电源并联运行；
3)将变频器的功率给定修改为电机实际功率P*、Q*，并使变频器的实际输出功率按照一定的速率上升，直至变频器的实际功率达到给定值；
4)打开开关Kl，切除工频电源；
5)将变频器的控制策略转为恒压频比控制，并实现电机的软停机。
[0012]所述的一种用于变频器与工频电网无冲击切换方法，是通过变频器进行切换时转换到直接功率控制实现的。其直接功率控制算法可以采用传统的开关表直接功率控制、功率前馈直接功率控制、预测直接功率控制等等。
[0013]本发明公开的方法，通过将变频电源与工频电源切换时，将变频器的控制方式切换至直接功率控制并按照要求控制变频器的功率输出，实现目标电源无载并联与无载切除，从而实现变频电源与工频电源的无冲击切换，彻底消除现有变频电源与工频电源切换时存在暂态过程，避免了暂态过程对系统产生的不利影响，提高了系统的可靠性。
【附图说明】
[0014]图1是变频电源与工频电源切换示意图。
[0015]图2是本发明采用变频器控制系统结构图。
[0016]图3是本发明采用的一种功率前馈的控制图，主要包括负载实时功率计算、锁相环、前馈功率控制、调制等环节构成。
[0017]图4是本发明的功率控制不意图，(a)为有功功率的调整不意图，(b)为无功功率的调整示意图，以电机负载功率由变频器切换至工频电网为例。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0019]—种用于变频器与工频电网无冲击切换方法，在由变频器、两个变频器输出电压传感器TVl和TV2、两个变频器输出电流传感器TAl和TA2、两个工频电网电压传感器TV3和TV4以及控制变频器投切的开关K1、控制工频电源投切K2组成的系统中，其特征在于该系统能够在电机由变频器完成软启动并与电网同步后切换至工频电网供电时，能够实现变频器与电网的无冲击并网以及变频器无流切除。变频器与工频电源的切换示意图如附图1所示。本发明采用的变频器控制系统结构如附图2所示，图中Uab、Ubc为变频器输出端线电压，ia、ib为变频器输出相电流，变频器控制系统对变频器输出端电压及电流信号处理后，得到变频器输出端电压的相位、幅值以及变频器输出的有功功率P、无功功率Q;uAB、UBC为工频电网线电压，经过变频器处理后，得到工频电网电压的幅值和相位;控制系统在不同的阶段采用不同的控制方式，并生成出发脉冲驱动逆变器的开关器件，从而形成逆变器的输出电压。
[0020]本发明采用的一种功率前馈直接功率控制如附图3所示。
[0021]本发明公开的功率控制示意图如图4所示，其【具体实施方式】如下:
1、电机及其负载由变频电源切换至工频电源:
1)闭合开关K2变频器采用常规的恒压频比控制等软启动方式起动，起动加速至额定速度后，利用变频器输出端电压传感器TVl和TV2、工频电源电压传感器TV3和TV4实现预并网，即使变频器输出端电压与工频电源电压相位、幅值、频率及相序完全一致；
2)待电机运行稳定后，利用变频器输出电压传感器TVl和TV2、变频器输出电流传感器TAl和TA2计算当前条件下电机的实时有功功率和无功功率并作为直接功率控制模式下有功功率参考P*、无功功率参考Q%
3)将变频器转为直接功率控制，直接功率控制中所需的电压幅值信号、相位信号均为工频电源电压信号，直接功率控制所需的功率参考给定为P*、Q* ；
4)闭合开关K1，变频器与工频电源并联运行，但工频电源此时没有功率输出； 5)降低变频器的功率给定至零，电机负载功率按照一定的速率向工频电源转移;待变频器的输出功率完全降为零后，断开K2，实现变频器的切除。
[0022]2、电机及其负载由工频电源切换至变频器并软停机:
1)起动变频器并采用直接功率控制，直接功率控制中所需的电压幅值信号、相位信号均为工频电源电压信号，直接功率控制所需的功率参考给定均为零；
2)闭合开关K2，将变频器与工频电源并联运行；
3)将变频器的功率给定修改为电机实际功率P'Q*，并使变频器的实际输出功率按照一定的速率上升，直至变频器的实际功率达到给定值；
4)打开开关Kl，切除工频电源；
5)将变频器的控制策略转为恒压频比控制等软启动方式，并实现电机的软停机。
[0023]这样，通过对变频器的控制，就能实现电机及其负载功率在变频电源与工频电源间的无冲击切换，从而避免相应的暂态过程。
[0024]本发明用于变频器与工频电网无冲击切换方法，可以实现电机软起并能实现与电网同步的变频器上，通过加装两个变频器输出电流传感器，实时测量预并网工况下电机的实时功率，然后将变频器转为直接功率控制并将直接功率控制的给定值设定为电机的实时功率，随后将变频器与工频电网并联起来，并联完成后，逐渐减小变频器的功率给定值至零，然后切除变频器，实现电机工频电网供电。电机的软停机过程与之相反。本发明根据需要将变频器的控制方法在恒压频比控制等软启动方式与直接功率控制两者之间切换，实现了电机及其负载软启动及软停机工况下工频电网与变频器之间无冲击切换，达到了目标电源的无电流分断与闭合，避免了传统方法存在的暂态过程，提高了整个系统的可靠性。
[0025]在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种用于变频器与工频电网无冲击切换方法，在由变频器、两个变频器输出电压传感器TVl和TV2、两个变频器输出电流传感器TAl和TA2、两个工频电网电压传感器TV3和TV4以及控制变频器投切的开关K1、控制工频电源投切K2组成的系统中，实时测量预并网工况下电机的实时功率，根据需要将变频器的控制方法在恒压频比控制软启动方法与直接功率控制两者之间切换，实现电机及其负载软启动及软停机工况下工频电网与变频器之间无冲击切换，包括如下的处理过程: A、电机及其负载由变频电源切换至工频电源过程: 1)闭合开关K2变频器采用常规的软启动方式起动，起动加速至额定速度后，利用变频器输出端电压传感器TVl和TV2、工频电源电压传感器TV3和TV4实现预并网，使变频器输出端电压与工频电源电压相位、幅值、频率及相序完全一致； 2)待电机运行稳定后，利用变频器输出电压传感器TVl和TV2、变频器输出电流传感器TAl和TA2计算当前条件下电机的实时有功功率和无功功率并作为直接功率控制模式下有功功率参考P*、无功功率参考Q*; 3)将变频器转为直接功率控制，直接功率控制中所需的电压幅值信号、相位信号均为工频电源电压信号，直接功率控制所需的功率参考给定为P*、Q* ； 4)闭合开关K1，变频器与工频电源并联运行； 5)降低变频器的功率给定至零，电机负载功率按照一定的速率向工频电源转移;待变频器的输出功率完全降为零后，断开K2，实现变频器的切除； B、电机及其负载由工频电源切换至变频器并软停机过程: 1)起动变频器并采用直接功率控制，直接功率控制中所需的电压幅值信号、相位信号均为工频电源电压信号，直接功率控制所需的功率参考给定均为零； 2)闭合开关K2，将变频器与工频电源并联运行； 3)将变频器的功率给定修改为电机实际功率P*、Q*，并使变频器的实际输出功率按照一定的速率上升，直至变频器的实际功率达到给定值； 4)打开开关Kl，切除工频电源； 5)将变频器的控制策略转为恒压频比控制控制方式，并实现电机的软停机。2.根据权利要求1所述之用于变频器与工频电网无冲击切换方法，其特征在于，变频器与电网的无冲击并网及变频器无流切除是通过在变频器软启动完成并实现与电网同步后，将变流器切换至直接功率控制实现;所述直接功率控制方法可采用开关表直接功率控制、功率前馈直接功率控制、预测直接功率控制方法。3.根据权利要求2所述之用于变频器与工频电网无冲击切换方法，其特征在于，所述变频器直接功率控制下变频器的功率设定，在与电网并联时，变频器的功率给定为变频器运行于预并网状态时，由传感器电压传感器TVl和TV2、电流传感器TAl和TA2实时测量计算得到的数值，也即电机给定工况下的实时功率;在需要将变频器切除时，将变频器直接功率给定值由电机额定工况给定值降为零，然后再切除变频器。4.根据权利要求2所述之用于变频器与工频电网无冲击切换方法，其特征在于，变频器功率给定值从电机额定工况的实时功率降为零的速率是根据电机的额定功率、变频器切除时间设定的。
【文档编号】H02P1/28GK105871291SQ201610224083
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】熊成林, 葛兴来, 宋文胜, 王青元
【申请人】西南交通大学