淺析電網(wǎng)電壓定向的變頻器的同步切換控制

何建東 賀曉文 郭麗霞

【摘 要】提出一種基于電網(wǎng)電壓空間矢量定向的電機(jī)變頻-工頻同步切換的控制策略，并給出在電網(wǎng)電壓矢量同步坐標(biāo)系下檢測變頻器電壓相位的方法，可以精確捕獲變頻器電壓矢量與電網(wǎng)電壓矢量在空間上相位相同的時刻，提高同步精度，最大限度地降低變頻-工頻切換對電網(wǎng)的電流沖擊；并且提出采用電力電子開關(guān)與交流接觸器并聯(lián)工作的新思路，可解決交流接觸器開關(guān)延時對切換控制精度的影響；最后設(shè)計了基于 DSP控制的電機(jī)變頻-工頻同步切換的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了理論分析和研究的正確性和有效性。

【關(guān)鍵詞】三相異步電機(jī)；變頻器；電壓；電網(wǎng)電壓

【中圖分類號】TN773【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0396-01

電機(jī)變頻-工頻同步切換控制系統(tǒng)如圖1所示，其中KM1、KM3分別是電網(wǎng)側(cè)和變頻器側(cè)的交流接觸器，KM2、KM4分別是電網(wǎng)側(cè)和變頻器側(cè)的電力電子開關(guān)，KM1、KM2并聯(lián)連接，KM3、KM4并聯(lián)連接；系統(tǒng)分別采用3個霍爾電壓傳感器采集電網(wǎng)側(cè)相電壓ea、eb、ec和2個霍爾電壓傳感器采集變頻器側(cè)的線電壓uab、ubc，并對變頻器側(cè)的線電壓uab、ubc進(jìn)行低通濾波處理，其中：

uca=-uab-ubc （4）

同步切換控制系統(tǒng)中切換開關(guān)的開關(guān)動作時間對系統(tǒng)的影響較大，一般交流接觸器的開關(guān)延時為0.1s左右，約為5個工頻周期，在這段開關(guān)延時時間內(nèi)電機(jī)速度因負(fù)載的不同，其變化差異很大，若不采取改進(jìn)措施，極易引起兩者相位偏差大而導(dǎo)致電機(jī)切換時形成瞬時大電流沖擊。為避免交流接觸器的開關(guān)延時對系統(tǒng)的影響，本文采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和電力二極管設(shè)計了全控型電力電子開關(guān)，物理結(jié)構(gòu)如圖2所示，A、B端子用于串接在交流電路中控制交流電路的開通和關(guān)斷，IGBT集電極和發(fā)射極分別連接在二極管橋式整流電路直流輸出端的正極和負(fù)極，其中，R、C為電壓尖峰吸收網(wǎng)絡(luò)，以防止IGBT關(guān)斷時被高壓擊穿。切換信號控制IGBT的柵極電壓以控制IGBT的開通和關(guān)斷，當(dāng)IGBT開通時，由于整流橋直流側(cè)短路，A、B端子的等效電阻為0，A、B端子中流過交流電流，即處于交流閉合狀態(tài)；當(dāng)IGBT關(guān)斷時，由于整流橋直流側(cè)開路，A、B端子中的交流電流即被切斷，A、B端子處于交流開路狀態(tài)。根據(jù)以上分析可知，切換信號可控制A、B端子所串接的交流電路的開通和關(guān)斷。

電機(jī)在變頻器激勵下運(yùn)行時，變頻器側(cè)的交流接觸器KM3和電力電子開關(guān)KM4均處于閉合狀態(tài)，電網(wǎng)側(cè)的交流接觸器KM1和電力電子開關(guān)KM2均處于斷路狀態(tài)。電機(jī)需要切換至電網(wǎng)時，同步切換控制器通過通信接口控制變頻器的輸出電壓頻率略高于電網(wǎng)頻率（一般為51Hz）至電機(jī)運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)，保持電力電子開關(guān)KM4導(dǎo)通，給交流接觸器KM3發(fā)送觸發(fā)信號控制其斷開，等待0.1s確保KM3完成開關(guān)動作后，同步控制器通過AD采集電網(wǎng)和變頻器的電壓數(shù)據(jù)，根據(jù)以上提出的同步檢測方法捕獲最佳切換時刻。在切換時刻，控制器先關(guān)閉KM4，延時50μs以提供死區(qū)時間，然后同時觸發(fā)KM1和KM2使其導(dǎo)通，由于KM2開通時間不超過1.5μs，因此KM2先于KM1導(dǎo)通，約0.1s后，交流接觸器KM1完全閉合，將KM2短路，KM2中的電流即為0，因此電機(jī)切換成功并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，電力電子開關(guān)電流為0，無需進(jìn)行散熱處理，節(jié)省了空間和成本。同時根據(jù)以上控制過程，交流接觸器KM1、KM3的近似零電壓開通和關(guān)斷，均不會產(chǎn)生電弧，提高了系統(tǒng)的安全性。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析和研究的有效性，本文以TMS-320F28335DSP為核心在設(shè)計了同步切換控制系統(tǒng)，對一臺功率為4kW、極對數(shù)為2的三相異步電機(jī)進(jìn)行了變頻-工頻切換實(shí)驗(yàn)，電機(jī)通過聯(lián)軸器與測功機(jī)和測速發(fā)電機(jī)相連接，測功機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩設(shè)置為25N·m。在此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文對基于電網(wǎng)電壓定向的電機(jī)同步切換控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對單一采用交流接觸器和采用電力電子開關(guān)與交流接觸器并聯(lián)的切換方式進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。

由圖3（a）和（b）可見電機(jī)切換至電網(wǎng)時形成較大的電流沖擊，沖擊電流為穩(wěn)態(tài)電流的5倍左右，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降較多；由圖3（c）和（d）可以看出電機(jī)切換至電網(wǎng)時沒有出現(xiàn)大的沖擊電流，沖擊電流的峰值約為穩(wěn)態(tài)峰值的2倍左右，由于采用電力電子開關(guān)，電機(jī)切換至電網(wǎng)時對電網(wǎng)的電流沖擊大幅減小，電機(jī)速度變化較小，在發(fā)生較小幅度的振蕩后逐步進(jìn)入穩(wěn)態(tài)；由圖3（e）和（f）可以明顯看出電機(jī)切換至電網(wǎng)時對電網(wǎng)的電流沖擊大幅減小，沖擊電流的峰值進(jìn)一步降為穩(wěn)態(tài)峰值的1.2倍左右，電機(jī)速度變化較前兩者更小，基本消除了電機(jī)切換至電網(wǎng)時對電網(wǎng)的電流沖擊，電機(jī)切換前后轉(zhuǎn)速在發(fā)生輕微波動后快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

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