2022年变频电源与工频电源间的同步切换控制 .pdf

文章编号:100624710 (2001) 0320265204变频电源与工频电源间的同步切换控制曾光,徐艳平,宁耀斌(西安理工大学自动化与信息工程学院,陕西 西安710048 )摘要:阐述了电机由变频电源驱动同步切换到由工频电源驱动的必要性及切换方式,介绍了一种切换器的组成原理。 实验结果表明 : 该切换器较好地实现了由变频电源到工频电源的同步切换 , 切换电流平滑 , 且切换器结构简单, 工作可靠 。关键词 : 变频电源 ; 工频电源 ; 切换器 ; 电机软起动中图分类号 : TM 921 . 51文献标识码: AThe Synchronous Switch-M ode Con trol between theInverterPower and Power SupplyZEN G Guang, XUYan 2 ping, N IN G Yao 2bin(X i an U niversityof T echno logy , X i an 710048, Ch ina)Abstract : This paper describes the necessity and s w itch m odeof motor driven by from theinverter pow er to pow er supply, and introduces the principle of componen ts of a s w itch ingdevice.The experim ental results indicate that this s w itching device can better achieve thesynchronous s w itch2mode contro l fromthe inverterpow er to pow ersupply w iththes mooth curren t, simp le structu re in s w itch ing device and high work ing reliab ility .Key words: inverter ; pow er supply; s w itching device; motor soft2starting利用变频器对电机进行调速, 其优越性体现在两方面: 一是节能显著, 二是控制方便, 特别是对风机、 水泵类负载来说效果更为显著。 对于多台并联工作且毋需全部同时调速的电机, 考虑能否利用单台变频器 , 实现多台电机的顺序软起动,并对其中一台进行调速,以达到节能及控制通风量、 流量或压力的目的 。 解决这一问题的关键就是解决对负载实现变频电源与工频电源的切换问题 1 。若能实现此切换, 则具备如下优点: 实现电机软起动, 即从低频开始使电机起动, 从而使电机的起动电流比较小, 降低了对电网和对电机负载的冲击,且有利于延长电机寿命 2; 对于多台并联工作的电机实现软起动, 并可对其中一台进行变频调速, 以达到预期的控制目标, 并具有较好的节能效果 ; 供电变压器容量可比以往大大减小。 实现电机的软起动, 则不必考虑变压器的起动裕量。1切换方式将由变频电源驱动的电机切换到工频电源上, 作为切换方式, 根据电机特性 、 切换频度和对象系统的要求可分为非同步切换方式和同步切换方式:1) 非同步切换方式 。若对象系统能够容许切换时的转矩变化, 可用比电机容量小的变频电源进行下述部分的控制, 将电机加速到变频电源容量容许的转速, 然后将电机从变频电源切离, 在电机残留电压衰减前的数秒间使它进行自由停车运转, 然后投入工频电源。 为了防止投入工频时产生大的冲击电流 ,常采用串联起动电抗器等方式。 这种方式与加速到最高转速后进行切换的同步切换相比,有变频电源容量小的优点,但切换到工频电源时有较大的冲击电流,所以采用时必须考虑切换频度、 电收稿日期:2000212211作者简介:曾光(19572),男,西安理工大学副教授,研究方向为电力电子与电力传动。562西安理工大学学报Jou rnal of X i an U niversityof T echno logy(2001)V o l . 17 N o. 3? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 机容量 、 再投入时间 、 负载特性等 。 对于切换频度高的用户采用非同步切换方式时,应用困难 。2) 同步切换方式 。这种方式是将电机用变频电源加速到工业频率, 再使变频电源的输出与工频电网的频率及相位相一致, 确认后将电机无冲击地由变频电源切换到工频电源。 与非同步方式相比,变频电源容量增大, 与电机容量相当, 但投入工频电源时冲击电流小, 适用于要求转矩冲击小的传动系统 3。同步切换的控制方法为: 同时检测变频电源和工频电源的频率、 相位和幅值 , 当两种电源的频率差、 相位差 、 幅值差小于规定误差时, 进行切换 。 在切换过程中 , 采用先切变频 , 再投工频的方式较好。2切换器的原理 、 组成和控制211切换器的原理和组成切换器由5 部分组成 , 即由相位鉴别器、 幅度鉴别器 、 50 周检测电路 、 允许门电路和输出控制电路组成 。 也就是说必须检测到变频电源的输出与工频电源的输出频率、 相位、 幅值一致后 , 才可切换 。其结构如图1 和图 2 所示。图1整体结构图图2检测控制部分结构图相位幅值鉴别器由变压器降压电路、 RC 滤波电路 、 减法器 、 窗口比较器和电平转换电路组成; 50周检测电路利用变频器本身的信号输出功能来实现; 允许门电路利用与非门来实现; 输出控制电路由光耦器件和继电器KA等组成 。212检测原理将工频电源的UAB相和变频电源的UUV相经过相同的降压电路、 RC 滤波电路后 , 送往减法器 。 减法器是检测变频电源与工频电源相位、 幅值是否一致的核心部分。 原理如图3 所示 , 由反相器和加法器构成 。 把UUV经反相器后的信号与UAB相叠加 , 当 AB 相与 UV 相相位 、 幅值一致时 , 减法器输出则为零 , 此时就表明变频电源与工频电源的相位差、 幅值差为零 。 将减法器的输出信号送往窗口比较器,窗口比较器用于设置规定误差的大小。 当减法器的输出落于窗口比较器规定的误差范围之内, 也就是变频电源与工频电源的相位差、 幅值差小于规定误差时, 窗口比较器输出一负电平 4。 再经电平转换电路 , 使输出的信号满足允许门电路实现的需要。50 周检测电路是利用变频器本身的信号输出功能。 当变频器的输出频率为50 H z时, 就会有确662西安理工大学学报(2001)第17卷第3期? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 图3 减法器原理图定的输出信号 。当工频电源与变频电源的频率差、 相位差 、 幅值差小于规定误差时, 允许门电路就会输出电平信号, 送往 555 单稳电路 , 单稳电路驱动继电器KA动作 , 切换控制线路将电机由变频器驱动切换到由工频电源驱动 。213主电路及控制线路实验主电路图如图4 所示 , 切换控制线路图如图 5 所示。线路图用于控制单台电机, 仅以此为例 ,说明多台电机软起动的控制过程。首先按下SB1, 则KM0得电并自锁 , 变频器带电 ; 其次按下SB2, 则KM B得电 , 变频器起动并带电机运转 , 同时 , KM B 触头自锁 。 当检测电路检测到变频电源与工频电源同频同相同幅值时, 线圈KA 得电 (位于输出控制电路中) , 触头 KA 闭合 , KA1得电并自锁 , 其常开触头闭合, 常闭触头断开,即断开KM B, 闭合KM G, 完成了由变频电源驱动电机到由工频电源驱动电机的切换过程。 这以后 ,可使变频器再去驱动另一电机软起动, 从而完成多台电机的软起动过程。图4配电线路图图5切换控制线路图3实验结果及分析图 6 (a) 为变频电源与工频电源相位相差316 切换时的电机电流波形, 前半段为变频电源驱动电动机的电流波形,后面一段则为工频驱动电机的电流波形。 从该图可以看出, 切换时的电流为电机稳态运行电流的2 倍, 电流过渡平稳 。图 6 (b) 为变频电源与工频电源相位相差180 切换时的电机电流波形。 由图中可以看到切换时的电流为电机稳态运行电流的8 倍。图 6 (c)为电机直接起动瞬间的电流波形。由图中可以看到起动时的电流为电机稳态运行电流的6175 倍 5。由图 6(a) 可以看出 , 从变频电源到工频电源切换时仍有一定的冲击电流。 这是由于采用了同步切换方式中的先切变频,再投工频的方式所致。 在先切变频 , 再投工频的方式中, 检测到变频电源与工频电源的频率差 、 相位差 、 幅值差小于规定误差后,从切除变频到再投工频仍有一定的时间差(乃二次回路和主回路上电器的动作时间所致) , 从而导致真正切换时刻变频电源与工频电源的相位存在偏差, 因而才有一定的冲击电流。 但总能把切换时的电流控制在115 2 倍于稳态运行电流大小上, 从而可实现变频电源至工频电源较平滑地切换。由图 6 中的波形比较可以看出: 当变频电源与工频电源的频率差、 相位差 、 幅值差小于规定误差762曾光等:变频电源与工频电源间的同步切换控制? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 图6(a)同相切换时电机电流波形图6(b)反相切换时电机电流波形图6(c)直接起动时电机电流波形切换时 , 切换电流远小于电机直接起动时的电流; 但当相位相差180 时切换 , 则切换电流会大于电机直接起动时的电流。 从而说明了检测变频电源与工频电源的频率、 相位、 幅值是实现该切换的核心部分。从根本上讲 , 变频电源与工频电源的频率不可能完全一致, 正是由于频率上的不完全相等, 才可能实现相位差小于规定值的切换。 由于变频电源与工频电源的频率之间存在微小差异, 才能使两者的相位差进行调整,当两者的相位差处于允许误差的范围之内时, 就会发生从变频电源到工频电源的切换。 变频电源与工频电源的幅值并不要求完全意义上的一致, 实际中的变频电源的幅值也未必会与工频电源的幅值完全一致。从变频电源与工频电源的频率差、 相位差 、 幅值差对切换时电流的影响来看, 频率差与幅值差对切换结果的影响都不是很大, 主要是两者相位差的影响。大量实验数据表明: 变频电源到工频电源切换时的电流倍数随两者相位差的增大而增大, 相位差为180 切换时为最大, 高于电机直接起动时的电流 , 这从图 6 的比较中也可看出。 因而 , 检测变频电源与工频电源的相位差又是检测两者频率、 相位、 幅值的关键部分 。4结语本文论述了变频电源至工频电源的切换方式,并且给出了切换器的原理、 组成及线路图 。 实验结果表明 ,该切换器结构简单、 工作可靠 、 实用性强 ,较好地实现了变频电源至工频电源较平滑的切换。参考文献: 1 樊宝德,王祥,赵水石 1 逆变器与工频电网间的双向切换器J1 电子技术应用, 1996 (10): 18-201 2 许大中 1 交流电机调速理论M 1 杭州:浙江大学出版社, 19911 3 三菱电机株式会社1 变频调速器使用手册M1 北京:兵器工业出版社, 19921 4 谈文心,刘本鸿 1 运放及模拟集成电路M 1 北京:国防工业出版社, 19861 5 李发海,陈汤铭,郑逢时等 1 电机学M 1 北京:科学出版社, 19911(责任编辑王卫勋)862西安理工大学学报(2001)第17卷第3期? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -