淺析電網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】提出一種基于電網電壓空間矢量定向的電機變頻-工頻同步切換的控制策略，并給出在電網電壓矢量同步坐標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-工頻切換對電網的電流沖擊；并且提出采用電力電子開關與交流接觸器并聯工作的新思路，可解決交流接觸器開關延時對切換控制精度的影響；最后設計了基于 DSP控制的電機變頻-工頻同步切換的實驗系統。實驗結果證明了理論分析和研究的正確性和有效性。

【關鍵詞】三相異步電機；變頻器；電壓；電網電壓

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

電機變頻-工頻同步切換控制系統如圖1所示，其中KM1、KM3分別是電網側和變頻器側的交流接觸器，KM2、KM4分別是電網側和變頻器側的電力電子開關，KM1、KM2并聯連接，KM3、KM4并聯連接；系統分別采用3個霍爾電壓傳感器采集電網側相電壓ea、eb、ec和2個霍爾電壓傳感器采集變頻器側的線電壓uab、ubc，并對變頻器側的線電壓uab、ubc進行低通濾波處理，其中：

uca=-uab-ubc （4）

同步切換控制系統中切換開關的開關動作時間對系統的影響較大，一般交流接觸器的開關延時為0.1s左右，約為5個工頻周期，在這段開關延時時間內電機速度因負載的不同，其變化差異很大，若不采取改進措施，極易引起兩者相位偏差大而導致電機切換時形成瞬時大電流沖擊。為避免交流接觸器的開關延時對系統的影響，本文采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）和電力二極管設計了全控型電力電子開關，物理結構如圖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斷，IGBT集電極和發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極，其中，R、C為電壓尖峰吸收網絡，以防止IGBT關斷時被高壓擊穿。切換信號控制IGBT的柵極電壓以控制IGBT的開通和關斷，當IGBT開通時，由于整流橋直流側短路，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；當IGBT關斷時，由于整流橋直流側開路，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。根據以上分析可知，切換信號可控制A、B端子所串接的交流電路的開通和關斷。

電機在變頻器激勵下運行時，變頻器側的交流接觸器KM3和電力電子開關KM4均處于閉合狀態，電網側的交流接觸器KM1和電力電子開關KM2均處于斷路狀態。電機需要切換至電網時，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頻率（一般為51Hz）至電機運行于穩態，保持電力電子開關KM4導通，給交流接觸器KM3發送觸發信號控制其斷開，等待0.1s確保KM3完成開關動作后，同步控制器通過AD采集電網和變頻器的電壓數據，根據以上提出的同步檢測方法捕獲最佳切換時刻。在切換時刻，控制器先關閉KM4，延時50μs以提供死區時間，然后同時觸發KM1和KM2使其導通，由于KM2開通時間不超過1.5μs，因此KM2先于KM1導通，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，因此電機切換成功并進入穩態運行后，電力電子開關電流為0，無需進行散熱處理，節省了空間和成本。同時根據以上控制過程，交流接觸器KM1、KM3的近似零電壓開通和關斷，均不會產生電弧，提高了系統的安全性。

三、實驗結果

為驗證理論分析和研究的有效性，本文以TMS-320F28335DSP為核心在設計了同步切換控制系統，對一臺功率為4kW、極對數為2的三相異步電機進行了變頻-工頻切換實驗，電機通過聯軸器與測功機和測速發電機相連接，測功機負載轉矩設置為25N·m。在此實驗系統的基礎上，本文對基于電網電壓定向的電機同步切換控制策略進行了實驗研究，并對單一采用交流接觸器和采用電力電子開關與交流接觸器并聯的切換方式進行了對比實驗，實驗波形如圖3所示。

由圖3（a）和（b）可見電機切換至電網時形成較大的電流沖擊，沖擊電流為穩態電流的5倍左右，電機轉速下降較多；由圖3（c）和（d）可以看出電機切換至電網時沒有出現大的沖擊電流，沖擊電流的峰值約為穩態峰值的2倍左右，由于采用電力電子開關，電機切換至電網時對電網的電流沖擊大幅減小，電機速度變化較小，在發生較小幅度的振蕩后逐步進入穩態；由圖3（e）和（f）可以明顯看出電機切換至電網時對電網的電流沖擊大幅減小，沖擊電流的峰值進一步降為穩態峰值的1.2倍左右，電機速度變化較前兩者更小，基本消除了電機切換至電網時對電網的電流沖擊，電機切換前后轉速在發生輕微波動后快速進入穩態。

參考文獻

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