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(cè)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(shí)刻，提高同步精度，最大限度地降低變頻-工頻切換對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊；并且提出采用電力電子開(kāi)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(kāi)關(guān)延時(shí)對(duì)切換控制精度的影響；最后設(shè)計(jì)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(hào)】TN773【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】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(kāi)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(gè)霍爾電壓傳感器采集電網(wǎng)側(cè)相電壓ea、eb、ec和2個(gè)霍爾電壓傳感器采集變頻器側(cè)的線電壓uab、ubc，并對(duì)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(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的影響較大，一般交流接觸器的開(kāi)關(guān)延時(shí)為0.1s左右，約為5個(gè)工頻周期，在這段開(kāi)關(guān)延時(shí)時(shí)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(shí)形成瞬時(shí)大電流沖擊。為避免交流接觸器的開(kāi)關(guān)延時(shí)對(duì)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(jì)了全控型電力電子開(kāi)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(kāi)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(shí)被高壓擊穿。切換信號(hào)控制IGBT的柵極電壓以控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷，當(dāng)IGBT開(kāi)通時(shí)，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(guò)交流電流，即處于交流閉合狀態(tài)；當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，由于整流橋直流側(cè)開(kāi)路，A、B端子中的交流電流即被切斷，A、B端子處于交流開(kāi)路狀態(tài)。根據(jù)以上分析可知，切換信號(hào)可控制A、B端子所串接的交流電路的開(kāi)通和關(guān)斷。

電機(jī)在變頻器激勵(lì)下運(yùn)行時(shí)，變頻器側(cè)的交流接觸器KM3和電力電子開(kāi)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(kāi)關(guān)KM2均處于斷路狀態(tài)。電機(jī)需要切換至電網(wǎng)時(shí)，同步切換控制器通過(guò)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(kāi)關(guān)KM4導(dǎo)通，給交流接觸器KM3發(fā)送觸發(fā)信號(hào)控制其斷開(kāi)，等待0.1s確保KM3完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，同步控制器通過(guò)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(cè)方法捕獲最佳切換時(shí)刻。在切換時(shí)刻，控制器先關(guān)閉KM4，延時(shí)50μs以提供死區(qū)時(shí)間，然后同時(shí)觸發(fā)KM1和KM2使其導(dǎo)通，由于KM2開(kāi)通時(shí)間不超過(guò)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(kāi)關(guān)電流為0，無(wú)需進(jìn)行散熱處理，節(jié)省了空間和成本。同時(shí)根據(jù)以上控制過(guò)程，交流接觸器KM1、KM3的近似零電壓開(kāi)通和關(guān)斷，均不會(huì)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(jì)了同步切換控制系統(tǒng)，對(duì)一臺(tái)功率為4kW、極對(duì)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(guò)聯(lián)軸器與測(cè)功機(jī)和測(cè)速發(fā)電機(jī)相連接，測(cè)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(duì)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(duì)單一采用交流接觸器和采用電力電子開(kāi)關(guān)與交流接觸器并聯(lián)的切換方式進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。

由圖3（a）和（b）可見(jiàn)電機(jī)切換至電網(wǎng)時(shí)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(shí)沒(méi)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(kāi)關(guān)，電機(jī)切換至電網(wǎng)時(shí)對(duì)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(shí)對(duì)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(shí)對(duì)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(dòng)后快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

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