CN113114081B - 变频与工频无缝切换控制方法、控制器、***及存储介质 - Google Patents

变频与工频无缝切换控制方法、控制器、***及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变频与工频无缝切换控制方法、控制器、***及存储介质，首先控制逆变器来驱动异步电机启动并运行至工频，再通过切换控制模块来控制逆变器的输出电压，使其与电网电压相同，在判断满足切换条件后，将异步电机切换至由工频电源驱动，同时控制逆变器停机。本发明的技术方案可快速实现异步电机变频启动与工频电源无缝切换，切换过程中无冲击，减少对电网的影响。

Description

变频与工频无缝切换控制方法、控制器、***及存储介质
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种变频与工频无缝切换控制方法、控制器、***及存储介质。
背景技术
异步电机由于其结构简单、成本低、可靠性高等优势，广泛应用于各种工业场合之中。
传统的电机类负载直接启动时电流大，会对电网产生较大冲击，尤其是微电网***中，影响着***中发电源配置的容量。随着电力电子技术的发展，变频驱动采用矢量控制技术，具有调速范围宽、动态响应好、节约能源等优点，可以用于替代电机的直接启动。然而一些电机类负载只在工频运行，为了降低启动冲击而为每台电机配置变频器经济性差，因此为不同的电机负载配置同一套变频驱动器会大大提高***的利用率。因此变频驱动***要自适应不同的电机，且在电机启动完成后才能无缝转入工频运行。
发明内容
本发明为了解决上述利用变频驱动装置来启动异步电机，且无缝转入工频运行的技术问题，提出了一种变频与工频无缝切换控制方法、控制器、***及存储介质，可实现异步电机的变频启动，并无缝切换至工频运行。
为了达成上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明的第一方面，提出了一种变频与工频无缝切换控制方法，用于异步电机变频启动与工频电源之间的无缝切换，包括：
控制逆变器来驱动异步电机运行至工频；
根据采集的电网电压和逆变器输出电压，分别计算电网电压幅值Um_g和逆变器输出电压幅值Um；并在转子磁场同步旋转坐标系下，分别计算电网电压q轴分量uq_g和逆变器输出电压q轴分量uq；
基于所述电网电压q轴分量以及逆变器输出电压q轴分量，计算电机转速给定值增量Δω* r，从而控制逆变器输出电压的相位；
基于所述电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值，计算磁链给定值增量ΔΨ* r，从而控制逆变器输出电压的幅值；
实时计算电网电压q轴分量与逆变器输出电压q轴分量之间的误差erruq，以及电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值之间的误差errum，当两个误差均小于门槛值且保持预设时间定值后，生成切换控制指令将异步电机切换至由工频电源驱动，同时控制逆变器停机。
优选的，所述计算电机转速给定值增量Δω* r采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000021
其中，kpsyn1、kisyn1为PI调节的比例、积分控制参数。
优选的，所述计算磁链给定值增量ΔΨ* r采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000022
其中，kpsyn2、kisyn2为PI调节的比例、积分控制参数。
优选的，全阶观测器根据电机电流和电压经过α,β变换后的isα,isβ、usα,usβ得到电机转速观测值ω^r、磁链观测值Ψr，并根据转子磁链获得转子磁链的角度观测值θr；
电机主控制回路包括磁链控制器、转速控制器、电流控制器，PWM控制器和逆变器；
所述电机转速给定值增量Δω* r和磁链给定值增量ΔΨ* r，分别与电机转速给定值ω* r和磁链给定值Ψ* r叠加得到电机转速参考值ω* ref和磁链参考值Ψ* ref；
电机转速参考值ω* ref与转速观测值ω^r做差后依次经过转速控制器和电流控制器、磁链参考值Ψ* ref与磁链观测值Ψr做差后依次经过磁链控制器和电流控制器，再一起通过PWM控制器得到三相交流电压参考值用于逆变器控制。
本发明的第二方面，提出了一种变频驱动控制器，包括：
采集单元，用于采集网侧电压、逆变器侧电流和逆变器侧电压；
第一控制单元，用于控制逆变器来驱动异步电机运行至工频；
电压电流计算单元，用于根据采集的电网电压和逆变器输出电压，分别计算电网电压幅值Um_g和逆变器输出电压幅值Um；并在转子磁场同步旋转坐标系下，分别计算电网电压q轴分量uq_g和逆变器输出电压q轴分量uq；
转速增量计算单元，用于基于所述电网电压q轴分量以及逆变器输出电压q轴分量，计算电机转速给定值增量Δω* r，从而控制逆变器输出电压的相位；
磁链增量计算单元，用于基于所述电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值，计算磁链给定值增量ΔΨ* r，从而控制逆变器输出电压的幅值；
切换判断单元，用于实时计算电网电压q轴分量与逆变器输出电压q轴分量之间的误差erruq，以及电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值之间的误差errum，当两个误差均小于门槛值且保持预设时间定值后，生成切换控制指令将异步电机切换至由工频电源驱动，同时控制逆变器停机。
优选的，所述计算电机转速给定值增量Δω* m采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000031
其中，kpsyn1、kisyn1为PI调节的比例、积分控制参数。
优选的，所述计算磁链给定值增量ΔΨ* r采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000032
其中，kpsyn2、kisyn2为PI调节的比例、积分控制参数。
优选地，所述变频驱动控制器还包括全阶观测器、磁链控制器、转速控制器、电流控制器，PWM控制器；
全阶观测器根据电机电流和电压经过α,β变换后的isα,isβ、usα,usβ得到电机转速观测值ω^r、磁链观测值Ψr，并根据转子磁链获得转子磁链的角度观测值θr；
所述电机转速给定值增量Δω* r和磁链给定值增量ΔΨ* r，分别与电机转速给定值ω* r和磁链给定值Ψ* r叠加得到电机转速参考值ω* ref和磁链参考值Ψ* ref；
电机转速参考值ω* ref与转速观测值ω^r做差后依次经过转速控制器和电流控制器、磁链参考值Ψ* ref与磁链观测值Ψr做差后依次经过磁链控制器和电流控制器，再一起通过PWM控制器得到三相交流电压参考值用于逆变器控制。
本发明的第三方面，提出了一种变频与工频无缝切换控制***，包括：逆变器、逆变器侧电流传感器、逆变器侧电压传感器、网侧电压传感器、电网支路开关、逆变器支路开关以及如上所述的变频驱动控制器；
所述逆变器侧电流传感器和逆变器侧电压传感器检测逆变器输出电流和电压，并将信号传输给变频驱动控制器；所述网侧电压传感器检测电网电压，并将信号传输给变频驱动控制器；所述逆变器的交流输出端经过逆变器支路开关与电机输入端相连；三相工频交流电源经过电网支路开关与电机输入端相连；所述变频驱动控制器通过控制逆变器来控制异步电机变频启动并切换到工频电源运行，在变频启动过程中，电网支路开关分闸，逆变器支路开关合闸，当变频驱动控制器输出切换控制指令，控制电网支路开关合闸，同时控制逆变器支路开关分闸，并停止逆变器。
优选地，所述逆变器采用两电平三相电压源型拓扑结构。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有处理器程序,其中，所述处理器程序用于执行上述变频与工频无缝切换控制方法。
本发明具有的有益效果主要有：
1、采用基于全阶观测器的无速度传感器矢量控制技术，在异步电机启动阶段通过变频调速将电机拖动至额定转速；并在不改变原有矢量控制结构的基础上通过切换控制策略，控制电机的端电压与电网电压矢量重合，实现变频到工频的无缝切换。本发明在切换过程中始终控制电机的端电压和电网电压矢量重合，因此启动过程中冲击小。
2、能够快速实现控制多台异步电机变频启动并切换到工频电源运行，降低***成本。
3、本发明的控制方法完全集成于变频驱动控制器中，可与传统变频调速控制方法相兼容。
4、相应的变频与工频无缝切换控制***，可适用于多台异步电机变频与工频的切换运行工况，在工程应用中稳定可靠。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种变频与工频无缝切换控制方法流程图。
图2为本发明实施例提供的一种变频与工频无缝切换控制方法的原理图。
图3为本发明实施例提供的变频与工频无缝切换控制***示意图。
图4为本发明实施例提供的又一种变频与工频无缝切换控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做更详细的描述。
如图1所示为本申请提供的一种变频与工频无缝切换控制方法实施例，用于异步电机变频启动与工频电源之间的无缝切换，包括如下步骤：
S101：控制逆变器来驱动异步电机运行至工频。
S102：根据采集的电网电压和逆变器输出电压，分别计算电网电压幅值Um_g和逆变器输出电压幅值Um；并在转子磁场同步旋转坐标系下，分别计算电网电压q轴分量uq_g和逆变器输出电压q轴分量uq。
S103：基于所述电网电压q轴分量以及逆变器输出电压q轴分量，计算电机转速给定值增量Δω* r，从而控制逆变器输出电压的相位。
S104：基于所述电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值，计算磁链给定值增量ΔΨ* r，从而控制逆变器输出电压的幅值。
S105：实时计算电网电压q轴分量与逆变器输出电压q轴分量之间的误差erruq，以及电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值之间的误差errum，当两个误差均小于门槛值且保持预设时间定值后，生成切换控制指令将异步电机切换至由工频电源驱动，同时控制逆变器停机。
优选的实施例中，计算电机转速给定值增量Δω* r采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000051
其中，kpsyn1、kisyn1为PI调节的比例、积分控制参数。
优选的实施例中，所述计算磁链给定值增量ΔΨ* r采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000052
其中，kpsyn2、kisyn2为PI调节的比例、积分控制参数。
图2为本发明实施例提供的一种变频与工频无缝切换控制方法的原理图。转速自适应全阶观测器根据电机电流和电压经过α,β变换后的isα,isβ、usα,usβ得到电机转速观测值ω^r、磁链观测值Ψr，并根据转子磁链获得转子磁链的角度观测值θr。电机主控制回路包括磁链控制器、转速控制器、电流控制器，PWM控制器和逆变器。本发明在磁链控制器和转速控制器的前端再叠加按照本申请实施例的控制方法中步骤S103和S104计算电机转速给定值增量Δω* r和磁链给定值增量ΔΨ* r，分别与电机转速给定值ω* r和磁链给定值Ψ* r叠加得到电机转速参考值ω* ref和磁链参考值Ψ* ref。电机转速参考值ω* ref与转速观测值ω^r做差后依次经过转速控制器和电流控制器、磁链参考值Ψ* ref与磁链观测值Ψr做差后依次经过磁链控制器和电流控制器，再一起通过PWM控制器得到三相交流电压参考值用于逆变器控制。
本申请通过电网电压Uq_g与电机端电压Uq的差来闭环调节电机转子磁链；通过电网电压Ud_g与电机端电压Ud的差来闭环调节电机转速，直至两者差均为0，此时认为电机端电压与电网电压完全一致，此时可以完成由逆变器供电切换到由电网供电。
本申请实施例提供的一种变频驱动控制器，包括：
采集单元，用于采集网侧电压、逆变器侧电流和逆变器侧电压；
第一控制单元，用于控制逆变器来驱动异步电机运行至工频；
电压电流计算单元，用于根据采集的电网电压和逆变器输出电压，分别计算电网电压幅值Um_g和逆变器输出电压幅值Um；并在转子磁场同步旋转坐标系下，分别计算电网电压q轴分量uq_g和逆变器输出电压q轴分量uq；
转速增量计算单元，用于基于所述电网电压q轴分量以及逆变器输出电压q轴分量，计算电机转速给定值增量Δω* r，从而控制逆变器输出电压的相位；
磁链增量计算单元，用于基于所述电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值，计算磁链给定值增量ΔΨ* r，从而控制逆变器输出电压的幅值；
切换判断单元，用于实时计算电网电压q轴分量与逆变器输出电压q轴分量之间的误差erruq，以及电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值之间的误差errum，当两个误差均小于门槛值且保持预设时间定值后，生成切换控制指令将异步电机切换至由工频电源驱动，同时控制逆变器停机。
一些实施例中，计算电机转速给定值增量Δω* r采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000061
其中，kpsyn1、kisyn1为PI调节的比例、积分控制参数；
计算磁链给定值增量ΔΨ* r采用如下公式：
Figure BDA0002963590100000062
其中，kpsyn2、kisyn2为PI调节的比例、积分控制参数。
一些实施例中，变频驱动控制器还包括全阶观测器、磁链控制器、转速控制器、电流控制器，PWM控制器；
全阶观测器根据电机电流和电压经过α,β变换后的isα,isβ、usα,usβ得到电机转速观测值ω^r、磁链观测值Ψr，并根据转子磁链获得转子磁链的角度观测值θr；
所述电机转速给定值增量Δω* r和磁链给定值增量ΔΨ* r，分别与电机转速给定值ω* r和磁链给定值Ψ* r叠加得到电机转速参考值ω* ref和磁链参考值Ψ* ref；
电机转速参考值ω* ref与转速观测值ω^r做差后依次经过转速控制器和电流控制器、磁链参考值Ψ* ref与磁链观测值Ψr做差后依次经过磁链控制器和电流控制器，再一起通过PWM控制器得到三相交流电压参考值用于逆变器控制。
如图3所示为本申请实施例提供的一种变频与工频无缝切换控制***，包括：逆变器、逆变器侧电流传感器、逆变器侧电压传感器、网侧电压传感器、电网支路开关、逆变器支路开关以及如上所述的变频驱动控制器。所述逆变器侧电流传感器和逆变器侧电压传感器检测逆变器输出电流和电压，并将信号传输给变频驱动控制器；所述网侧电压传感器检测电网电压，并将信号传输给变频驱动控制器；所述逆变器的交流输出端经过逆变器支路开关与电机输入端相连；三相工频交流电源经过电网支路开关与电机输入端相连；所述变频驱动控制器通过控制逆变器来控制异步电机变频启动并切换到工频电源运行，在变频启动过程中，电网支路开关分闸，逆变器支路开关合闸，当变频驱动控制器输出切换控制指令，控制电网支路开关合闸，同时控制逆变器支路开关分闸，并停止逆变器。一些实施例中，逆变器采用两电平三相电压源型拓扑结构。
结合图3所示的变频与工频无缝切换控制***，采用的具体切换步骤如图4所示，包括：
步骤S201、控制异步电机电网支路开关分闸，且逆变器支路开关合闸；
步骤S202、启动逆变器，驱动异步电机运行至工频；
判断异步电机是否运行至工频的方法是，检测逆变器输出电压的频率与工频的误差是否小于定值，若满足则进入步骤S203，若不满足则继续驱动异步电机运行至工频；实施过程中，该定值可设置为1Hz；
步骤S203、利用采集获得的电网电压和逆变器输出电压，分别计算电网电压幅值Um_g和逆变器输出电压幅值Um；并在转子磁场同步旋转坐标系下，分别计算电网电压q轴分量uq_g和逆变器输出电压q轴分量uq；
步骤S204、利用计算获得的电网电压q轴分量以及逆变器输出电压q轴分量，由切换控制模块，按如下公式计算电机转速给定值增量Δω* m，从而控制逆变器输出电压的相位；
Figure BDA0002963590100000071
其中，kpsyn1、kisyn1为比例、积分控制参数；
步骤S205、利用计算获得的电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值，由切换控制模块，按如下公式计算磁链给定值增量ΔΨ* m，从而控制逆变器输出电压的幅值；
Figure BDA0002963590100000081
步骤S06、实时计算电网电压q轴分量与逆变器输出电压q轴分量之间的误差erruq，以及电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值之间的误差errum，当两个误差均小于门槛值且保持稳定一段时间后，则判断为满足切换条件，进入步骤S207；若不满足切换条件，则继续依次实施步骤S203～S06；
步骤S07、由变频驱动控制器输出切换控制指令，控制异步电机电网支路开关合闸，同时逆变器支路开关分闸，逆变器停机。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有处理器程序,其中，所述处理器程序用于执行上述变频与工频无缝切换控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或计算机程序产品。本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种变频与工频无缝切换控制方法，用于异步电机变频启动与工频电源之间的无缝切换，其特征在于，包括：
控制逆变器来驱动异步电机运行至工频；
根据采集的电网电压和逆变器输出电压，分别计算电网电压幅值Um_g和逆变器输出电压幅值Um；并在转子磁场同步旋转坐标系下，分别计算电网电压q轴分量uq_g和逆变器输出电压q轴分量uq；
基于所述电网电压q轴分量以及逆变器输出电压q轴分量，计算电机转速给定值增量Δω* r，从而控制逆变器输出电压的相位；
基于所述电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值，计算磁链给定值增量ΔΨ* r，从而控制逆变器输出电压的幅值；
实时计算电网电压q轴分量与逆变器输出电压q轴分量之间的误差erruq，以及电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值之间的误差errum，当两个误差均小于门槛值且保持预设时间定值后，生成切换控制指令将异步电机切换至由工频电源驱动，同时控制逆变器停机；
全阶观测器根据电机电流和电压经过α,β变换后的isα,isβ、usα,usβ得到电机转速观测值
Figure FDA0003656685480000011
磁链观测值Ψr，并根据转子磁链获得转子磁链的角度观测值θr；
电机主控制回路包括磁链控制器、转速控制器、电流控制器，PWM控制器和逆变器；
所述电机转速给定值增量Δω* r和磁链给定值增量ΔΨ* r，分别与电机转速给定值ω* r和磁链给定值Ψ* r叠加得到电机转速参考值ω* ref和磁链参考值Ψ* ref；
电机转速参考值ω* ref与转速观测值
Figure FDA0003656685480000012
做差后依次经过转速控制器和电流控制器、磁链参考值Ψ* ref与磁链观测值Ψr做差后依次经过磁链控制器和电流控制器，再一起通过PWM控制器得到三相交流电压参考值用于逆变器控制。
2.如权利要求1所述的变频与工频无缝切换控制方法，其特征在于，所述计算电机转速给定值增量Δω* r采用如下公式：
Figure FDA0003656685480000013
其中，kpsyn1、kisyn1为PI调节的比例、积分控制参数。
3.如权利要求1所述的变频与工频无缝切换控制方法，其特征在于，所述计算磁链给定值增量ΔΨ* r采用如下公式：
Figure FDA0003656685480000021
其中，kpsyn2、kisyn2为PI调节的比例、积分控制参数。
4.一种变频驱动控制器，其特征在于，包括：
采集单元，用于采集网侧电压、逆变器侧电流和逆变器侧电压；
第一控制单元，用于控制逆变器来驱动异步电机运行至工频；
电压电流计算单元，用于根据采集的电网电压和逆变器输出电压，分别计算电网电压幅值Um_g和逆变器输出电压幅值Um；并在转子磁场同步旋转坐标系下，分别计算电网电压q轴分量uq_g和逆变器输出电压q轴分量uq；
转速增量计算单元，用于基于所述电网电压q轴分量以及逆变器输出电压q轴分量，计算电机转速给定值增量Δω* r，从而控制逆变器输出电压的相位；
磁链增量计算单元，用于基于所述电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值，计算磁链给定值增量ΔΨ* r，从而控制逆变器输出电压的幅值；
切换判断单元，用于实时计算电网电压q轴分量与逆变器输出电压q轴分量之间的误差erruq，以及电网电压幅值以及逆变器输出电压幅值之间的误差errum，当两个误差均小于门槛值且保持预设时间定值后，生成切换控制指令将异步电机切换至由工频电源驱动，同时控制逆变器停机；
还包括全阶观测器、磁链控制器、转速控制器、电流控制器，PWM控制器；
全阶观测器根据电机电流和电压经过α,β变换后的isα,isβ、usα,usβ得到电机转速观测值
Figure FDA0003656685480000022
磁链观测值Ψr，并根据转子磁链获得转子磁链的角度观测值θr；
所述电机转速给定值增量Δω* r和磁链给定值增量ΔΨ* r，分别与电机转速给定值ω* r和磁链给定值Ψ* r叠加得到电机转速参考值ω* ref和磁链参考值Ψ* ref；
电机转速参考值ω* ref与转速观测值
Figure FDA0003656685480000023
做差后依次经过转速控制器和电流控制器、磁链参考值Ψ* ref与磁链观测值Ψr做差后依次经过磁链控制器和电流控制器，再一起通过PWM控制器得到三相交流电压参考值用于逆变器控制。
5.如权利要求4所述的变频驱动控制器，其特征在于，所述计算电机转速给定值增量Δω* r采用如下公式：
Figure FDA0003656685480000031
其中，kpsyn1、kisyn1为PI调节的比例、积分控制参数；
所述计算磁链给定值增量ΔΨ* r采用如下公式：
Figure FDA0003656685480000032
其中，kpsyn2、kisyn2为PI调节的比例、积分控制参数。
6.一种变频与工频无缝切换控制***，其特征在于，包括：逆变器、逆变器侧电流传感器、逆变器侧电压传感器、网侧电压传感器、电网支路开关、逆变器支路开关以及如权利要求4～5任一项所述的变频驱动控制器；
所述逆变器侧电流传感器和逆变器侧电压传感器检测逆变器输出电流和电压，并将信号传输给变频驱动控制器；所述网侧电压传感器检测电网电压，并将信号传输给变频驱动控制器；所述逆变器的交流输出端经过逆变器支路开关与电机输入端相连；三相工频交流电源经过电网支路开关与电机输入端相连；所述变频驱动控制器通过控制逆变器来控制异步电机变频启动并切换到工频电源运行，在变频启动过程中，电网支路开关分闸，逆变器支路开关合闸，当变频驱动控制器输出切换控制指令，控制电网支路开关合闸，同时控制逆变器支路开关分闸，并停止逆变器。
7.如权利要求6所述的变频与工频无缝切换控制***，其特征在于，所述逆变器采用两电平三相电压源型拓扑结构。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有处理器程序,其中，所述处理器程序用于执行权利要求1至3之任一项所述的方法。
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