变频与工频的切换方法、变频器的控制方法

技术领域

本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种变频电网与工频电网的切换方法、变频器的控制方法。

背景技术

异步电动机直接启动会给供电系统造成大的冲击，并影响机械传动系统寿命。对于需要带载启动的场合，为了减小启动冲击一般采用变频软启动方案，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。部分应用场景无调速需求，变频器仅承担软启动的任务，在变频器带动电机达到额定转速后，将电机从变频电网切换到工频电网供电运行，变频器可以再去启动其它的电机。

现有技术，例如CN102946136A公开了在电机及其负载由变频电网切换至工频电网过程，变频器使用恒压频比控制方式启动电机。恒压频比控制本质上是开环控制，与矢量控制相比启动电流冲击大，带载能力不足，加减速阶段无法精确控制转矩，驱动永磁机时甚至存在失步风险。

发明内容

本申请一方面，提供一种变频器的控制方法，其中，工频电网通过第一开关与电机连接；所述变频器的输入端与变频电网连接，输出端通过第二开关与所述电机连接；所述方法包括：

控制变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致；

在切换至所述变频电网或者所述工频电网时，修改所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象。

本申请另一方面，提供一种变频电网与工频电网的切换方法，其中，所述工频电网通过第一开关与电机连接；变频器的输入端与所述变频电网连接，变频器的输出端通过第二开关与所述电机连接；所述方法包括：

在所述第一开关断开且所述第二开关闭合时，控制变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致；控制所述第一开关闭合，并修改所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象；在变频器输出电流小于第一预设阈值时，控制所述变频器封波并控制所述第二开关断开，以完成所述变频电网切换至所述工频电网的过程；和/或，

在所述第一开关闭合且所述第二开关断开时，控制变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致；控制所述第二开关闭合，并修改所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象；在工频电网电流小于第二预设阈值时，控制所述第一开关断开并恢复所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象，以完成所述工频电网切换至所述变频电网的过程。

本申请通过修改变频器的矢量控制中的电流环控制对象，以完成变频电网或者工频电网的切换；启动电流冲击小，加减速阶段能够精确控制转矩，带载能力强。

附图说明

图1为本申请实施例提供的变频电网与工频电网的切换电路示意图；

图2为本申请实施例提供的变频器的开环矢量控制结构示意图；

图3为本申请实施例提供的变频器输出电压与工频电网电压的同步过程示意图；

图4为本申请实施例提供的从变频电网切换至工频电网的过程示意图；

图5为本申请实施例提供的变频器输出电流控制示意图；

图6为本申请实施例提供的从工频电网切换至变频电网的过程示意图；

图7为本申请实施例提供的工频电网电流控制示意图；

图8为本申请实施例提供的电流环控制对象切换示意图；

图9为本申请实施例提供的电流环控制对象切换另一示意图；

图10为本申请实施例提供的变频器的闭环矢量控制结构示意图；

图11为本申请实施例提供的一种变频器的控制方法示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语中“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请实施例涉及到的变量及其定义：

PLL：Phase Locked Loop，锁相环

SVPWM：Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量调制

i

i

i

i

u

u

ω

ω

ψ

ψ：实际磁链，来自磁链观测器

图1为本申请实施例提供的变频电网与工频电网的切换电路示意图。

如图1所示，工频电网(图中的电网1所示)通过开关K1与电机连接。在工频电网与开关K1之间还设置有电压检测单元TV1和电流检测单元TA1，分别用于检测工频电网的电压和电流。替代的实施中，电流检测单元TA1可以设置在开关K1与电机之间(图中的TA

变频电网(图中的电网2所示)通过变频器、开关K2与电机连接。开关K1连接在开关K2与电机之间。变频器可以采用AC-DC-AC拓扑结构，其交流输入端与变频电网连接，其交流输出端通过开关K2与电机连接。变频器的交流输出端与开关K2之间还可以设置电抗器Z1。变频器的交流输出端还设置有电压检测单元TV2和电流检测单元TA2，分别用于检测变频器的输出电压和输出电流。优选的实施中，电压检测单元TV2和电流检测单元TA2设置在变频器的交流输出端与电抗器Z1之间。

开关K1、K2包括但不限于接触器、断路器或晶闸管等。

工频电网可以与变频电网是同一个电网，或者工频电网是经过变压器隔离后的电网。

图2为本申请实施例提供的变频器的开环矢量控制结构示意图。

如图2所示，变频器采用开环矢量控制。开环矢量控制时，电机转速ω

请结合图3-图4进行理解，变频器软启动、从变频电网切换至工频电网过程：

首先，闭合开关K2(此时开关K1处于断开状态)，变频器通过电压检测单元TV1检测工频电网电压，并通过锁相环PLL得到电网频率及电网电压。一般的，变频器的频率给定通常指的是转子频率，因此需要将电网频率加上滑差补偿频率作为变频器加减速斜坡前的频率给定，实现频率同步。相位控制器生效后，根据变频器输出电压(可以采用变频器发波电压替代)与工频电网电压的相位差，微调频率给定，得到变频器速度环参考值，实现相位同步。根据锁相环PLL得到的电网电压调节磁链给定，实现幅值同步，此时变频器输出电压与工频电网电压的幅值、相位、频率均一致，满足切换条件。

接着，闭合开关K1，变频器开环矢量控制的d/q轴电流环控制对象切换为变频器输出电流，d/q轴变频器输出电流给定目标值控制为零，d/q轴变频器输出电流给定参考值经设定斜坡缓变至零，参见图5所示，电机有功电流及无功电流也对应平滑转移至工频电网。

当变频器输出电流小于第一预设阈值时，变频器封波并断开开关K2，完成从变频电网切换至工频电网的过程。

请结合图6进行理解，从工频电网切换至变频电网过程：

在开关K1闭合且开关K2断开时，变频器锁相工频电网电压并与之同步，使得变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致。矢量控制中观测器的输入电流使用工频电网电流和变频器输出电流之和，输入电压使用工频电网电压，得到实时的磁链、转速参数，解决切换过程中的观测器复位问题。

闭合开关K2，d/q轴电流环控制对象切换为工频电网电流，d/q轴工频电网电流给定目标值控制为零，d/q轴工频电网电流给定参考值经斜坡缓变至零，参见图7所示，电机有功电流及无功电流也对应平滑转移至变频器。

工频电网电流小于第二预设阈值时，断开开关K1，并将电流环控制对象切换为矢量控制的电流环(即恢复电流环控制对象，d轴电流环给定为磁链调节器输出，q轴电流环给定为速度调节器输出)，完成从工频电网切换至变频电网的切换过程。

电流环给定及控制对象切换可参考图8-图9。开关K1未闭合时，此时不处于工频电网切换至变频电网的过渡状态，d轴电流环给定为磁链调节器输出，q轴电流环给定为速度调节器输出，d/q轴电流环反馈为变频器输出的d/q轴电流。开关K1闭合，或工频电网切换至变频电网，d/q轴电流环见前述描述。

图10为本申请实施例提供的变频器的闭环矢量控制结构示意图。

闭环矢量控制时，电机转速ω

变频器软启动、电机从变频电网切换至工频电网过程与开环矢量控制一致。

电机从工频电网切换至变频电网过程：变频器锁相工频电网电压并与之同步，使得变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致；磁链观测器的输入电流使用工频电网电流和变频器输出电流之和，输入电压使用工频电网电压，解决切换过程中的磁链观测器复位问题。后续过程与开环矢量控制一致。

图11为本申请一实施例提供的一种变频器的控制方法示意图。变频器与开关K1、开关K2、变频电网、工频电网以及电机的连接关系可参考图1及其叙述；变频器还包括控制器，控制器可以获取电压检测单元TV1、电流检测单元TA1、电压检测单元TV2以及电流检测单元TA2的检测值。

如图11所示，控制器实现以下方法步骤：

S11、控制变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致；

S12、在切换至所述变频电网或者所述工频电网时，修改所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象。

在一示例中，所述控制变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致，包括：

根据所述工频电网电压，通过锁相环得到电网电压和电网频率；

根据所述锁相环得到的电网频率与滑差补偿频率实现频率同步；

根据所述工频电网电压与所述变频器输出电压或者变频器发波电压之间的相位差，微调频率给定实现相位同步；

根据所述锁相环得到的电网电压，微调磁链给定实现电压同步。

在一示例中，所述变频器的矢量控制包括闭环矢量控制或者开环矢量控制。

在一示例中，所述修改所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象包括以下至少之一：

从所述变频电网切换至所述工频电网时，修改所述电流环控制对象为变频器输出电流；

从所述工频电网切换至所述变频电网时，修改所述电流环控制对象为工频电网电流。

在一示例中，所述方法还包括以下至少之一：

从所述变频电网切换至所述工频电网时，控制变频器输出电流给定目标值为零、变频器输出电流给定参考值经设定斜坡缓变至零；

从所述工频电网切换至所述变频电网时，控制工频电网电流给定目标值为零、工频电网电流给定参考值经斜坡缓变至零。

在一示例中，所述方法还包括：

从所述工频电网切换至所述变频电网时，对所述变频器的矢量控制中的转速观测器和磁链观测器复位、或者仅对所述变频器的矢量控制中的转速观测器复位。

在一示例中，所述方法还包括：

在复位时，观测器的输入电流使用工频电网电流和变频器输出电流之和，且其输入电压使用工频电网电压。

在一示例中，所述方法还包括以下至少之一：

从所述变频电网切换至所述工频电网时，当变频器输出电流小于第一预设阈值时控制所述变频器封波；

从所述工频电网切换至所述变频电网时，当工频电网电流小于第二预设阈值时恢复所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象。

在一示例中，所述方法还包括：

控制所述第一开关和/或所述第二开关的断开或者闭合。即，控制器可以控制开关K1和/或开关K2的断开或者闭合。

本申请另一实施例还提供一种变频电网与工频电网的切换方法，其中，所述工频电网通过第一开关(例如开关K1)与电机连接；变频器的输入端与所述变频电网连接，变频器的输出端通过第二开关(例如开关K2)与所述电机连接；该切换方法可以由变频器的控制器实现，也可以由其它控制器实现。

所述方法包括：

在所述第一开关断开且所述第二开关闭合时，控制变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致；控制所述第一开关闭合，并修改所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象；在变频器输出电流小于第一预设阈值时，控制所述变频器封波并控制所述第二开关断开，以完成所述变频电网切换至所述工频电网的过程；和/或，

在所述第一开关闭合且所述第二开关断开时，控制变频器输出电压与工频电网电压的相位、幅值、频率保持一致；控制所述第二开关闭合，并修改所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象；在工频电网电流小于第二预设阈值时，控制所述第一开关断开并恢复所述变频器的矢量控制中的电流环控制对象，以完成所述工频电网切换至所述变频电网的过程。

以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。