一種變頻切換工頻的方法、變頻器及電力切換系統與流程

本發明涉及電機控制技術領域，尤其涉及一種變頻切換工頻的方法、變頻器及電力切換系統。

背景技術：

近年來隨著變頻器的市場推廣，尤其是在電力、冶金、煤炭、石油等行業的廣泛應用，對于高壓變頻設備配電系統方案的靈活性，設備運行的可靠性與持續性提出更高的要求。在很多應用場合需要將電機由變頻方式切換到工頻方式運行。為了避免將電機從變頻方式切換工頻方式時產生較大的沖擊電流，目前主要采用在變頻器的輸出端串接電抗器，并鎖定工頻信號頻率、相位以使得變頻信號和工頻信號同頻、同相，并等待電機電流穩定后，再斷開變頻輸出。雖然這種切換方法在切換中產生的沖擊電流小，但是需要增加同步切換電抗器，從而增加了產品成本。

因此，目前急需一種在切換時能夠避免產生沖擊電流、且無需增加電抗器的變頻切換工頻的方法、變頻器及電力切換系統。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明實施例提供一種在切換時能夠避免產生沖擊電流、且無需增加電抗器的變頻切換工頻的方法、變頻器及電力切換系統。

第一方面，本發明實施例提供了一種變頻切換工頻的方法，用于將電機的輸入從變頻方式切換到工頻方式，變頻器輸入端由第一接觸器與第一高壓母線相連，所述變頻器輸出端經由第二接觸器與所述電機相連，所述電機經由第三接觸器連接至第二高壓母線，所述變頻器通過自學習方式保存有切換時間、參照頻率下降率、參照有功電流，所述切換時間為電機斷開變頻輸入至切入工頻輸入的時間，所述參照頻率下降率為自學習過程中計算得到的封鎖變頻輸出后的所述電機電壓的頻率下降率，所述參照有功電流為封鎖變頻輸出時獲取的有功電流；所述方法包括：獲取所述第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率；判斷所述變頻器輸出的變頻信號的相序與所述工頻信號的相序是否一致；若所述變頻信號與所述工頻信號的相序一致，獲取當前有功電流，并根據當前有功電流、參照有功電流及參照頻率下降率計算當前狀態下進行切換產生的當前頻率下降率，再根據所述當前頻率下降率及所述切換時間計算出所述切換時間內的衰減頻率及補償相位，調整所述變頻信號的頻率為所述衰減頻率與所述工頻信號的頻率之和，調整所述變頻信號的相位相對所述工頻信號的相位滯后補償相位；若檢測到所述變頻信號的頻率和相位調整完成后，控制所述第二接觸器斷開及所述第三接觸器閉合。

第二方面，本發明實施例提供了一種變頻器，用于控制電機的輸入從變頻方式切換至工頻方式，所述變頻器輸入端由第一接觸器與第一高壓母線相連，所述變頻器輸出端經由第二接觸器與所述電機相連，所述電機經由第三接觸器連接至第二高壓母線，該變頻器包括存儲單元，用于存儲所述變頻器通過自學習方式獲得的切換時間、參照頻率下降率、參照有功電流，所述切換時間為電機斷開變頻輸入至切入工頻輸入的時間，所述參照頻率下降率為自學習過程中計算得到的封鎖變頻輸出后的所述電機電壓的頻率下降率，所述參照有功電流為封鎖變頻輸出時獲取的有功電流；獲取單元，用于獲取所述第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率；判斷單元，用于判斷所述變頻器輸出的變頻信號的相序與所述工頻信號的相序是否一致；處理單元，用于若所述變頻信號與所述工頻信號的相序一致，獲取當前有功電流，并根據當前有功電流、參照有功電流及參照頻率下降率計算當前狀態下進行切換產生的當前頻率下降率，再根據所述當前頻率下降率及所述切換時間計算出所述切換時間內的衰減頻率及補償相位，調整所述變頻信號的頻率為所述衰減頻率與所述工頻信號的頻率之和，調整所述變頻信號的相位相對所述工頻信號的相位滯后補償相位；控制單元，用于若檢測到所述變頻信號的頻率和相位調整完成后，控制所述第二接觸器斷開及所述第三接觸器閉合。

第三方面，本發明實施例提供了一種電力切換系統，用于將電機的輸入從變頻方式切換至工頻方式，該系統包括N個相互獨立的切換柜以及如上所述的變頻器，所述變頻器控制N臺電機，一臺所述電機與一個所述切換柜一一對應；所述每個切換柜包括控制板、第一接觸器、第二接觸器、及第三接觸器，所述變頻器輸入端分別經由每個切換柜中的第一接觸器與第一高壓母線相連，所述每臺電機的輸入端分別通過對應控制柜中的第二接觸器與所述變頻器的輸出端相連，所述每臺電機的輸入端分別通過對應控制柜中的第三接觸器與第二高壓母線相連；每個切換柜中的控制板用于控制對應切換柜中接觸器的斷開與閉合，不同所述切換柜中的所述控制板相級聯后與所述變頻器建立通訊連接。

本發明實施例中的變頻器通過一次自學習保存有切換時間、參照頻率下降率、參照有功電流，然后獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率，并判斷變頻信號與工頻信號的相序是否一致，若一致，獲取當前有功電流，并根據當前有功電流、參照有功電流及參照頻率下降率計算當前狀態下進行切換產生的當前頻率下降率，再根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，并調整變頻信號的頻率為衰減頻率與工頻信號的頻率之和，調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后補償相位；當變頻信號的頻率和相位調整完成之后，控制第二接觸器斷開及第三接觸器閉合從而完成切換。藉由變頻器的一次自學習參照頻率下降率后，便可以根據頻率下降率與有功電流的轉換公式來獲取在不同負載情況下的當前頻率下降率，從而根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，進而將變頻信號的頻率調整為功率信號的頻率與衰減頻率之和以保證電機轉子頻率在切換過程中經過衰減之后的頻率能夠與工頻信號的頻率一致，以及根據該補償相位調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后該補償相位以保證電機轉子的相位在切換之后能夠與工頻信號的相位一致，以到達切換之后電子轉子的相序、相位、及頻率與工頻信號的序、相位、及頻率相同，從而避免電機由變頻狀態工作切換為工頻狀態時產生沖擊電流，避免造成電機損壞，且不需增加電抗器，從而減低產品成本。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明第一實施例技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例提供的一種電力切換系統的結構框圖；

圖2是本發明實施例提供的變頻器一拖二的連接示意圖；

圖3是本發明實施例提供的一種變頻切換工頻的方法的流程示意圖；

圖4是圖3中的步驟S104的子流程示意圖；

圖5是本發明實施例提供的一種變頻器的示意性框圖；

圖6是圖5中控制單元的示意性框圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應當理解，當在本說明書和所附權利要求書中使用時，術語“包括”和“包含”指示所描述特征、整體、步驟、操作、元素和/或組件的存在，但并不排除一個或多個其它特征、整體、步驟、操作、元素、組件和/或其集合的存在或添加。

參見圖1，是本發明實施例提供的一種電力切換系統的結構框圖。本發明實施例中的電力切換系統用于將電機的輸入從變頻方式切換至工頻方式，且變頻方式為電機的輸入連接變頻器的輸出，工頻方式為電機的輸入連接工頻電源的輸出。該電力切換系統包括變頻器及切換柜。如圖所示，一個變頻器可控制多個電機的軟啟動，且一個電機與一個切換柜一一對應。每個切換柜包括控制板、第一接觸器、第二接觸器、及第三接觸器。變頻器輸入端分別經由每個切換柜中的第一接觸器與第一高壓母線相連，每臺電機的輸入端分別通過對應控制柜中的第二接觸器與變頻器的輸出端相連，每臺電機的輸入端分別通過對應控制柜中的第三接觸器與第二高壓母線相連；每個切換柜中的控制板用于控制對應切換柜中接觸器的斷開與閉合，不同切換柜中的控制板相級聯后與變頻器建立通訊連接。

具體的，切換柜和與其對應的電機設置有相同的標識符如數字標識1～n，可以理解地，標識符并不局限此。優選不同切換柜中的控制板通過光纖連接變頻器，從而保證數據的傳輸速度快、且傳輸穩定性高，以實現變頻器對多個電機的切換控制。如圖所示，將控制板1的接收端RX連接變頻器的發送端TX，控制板1的發送端TX連接控制板2的接收端RX，控制板2的接收端RX連接控制板3的發送端TX，控制板3的發送端TX連接控制板4的接收端RX，依次類推，控制板n-1的發送端TX連接控制板n的接收端RX，控制板n的接收端RX連接變頻器的發送端TX。藉由這種結構設置該變頻器可以控制多個電機的軟啟動，且可控制不同電機的啟動順序。

參照圖2是本發明實施例提供的變頻器一拖二的連接示意圖。如圖所示，該變頻器300控制兩個電機M1、M2，電機M1與切換柜1相對應，電機M2與切換柜2相對應，且控制板2與控制板1級聯后與變頻器300進行通訊連接。由于切換柜1與控制柜2中的機構設置相同，在此詳述切換柜1的結構，切換柜2的結構不再贅述。

該切換柜1包括控制板1、第一開關QS1、第一接觸器KM1、第二接觸器KM2、第二開關QS2、第三開關QS3及第三接觸器KM3。變頻器300依次經由第四接觸器KM4、第一接觸器KM1、及第一開關QS1與第一高壓母線100相連，該第四接觸器KM4兩端并聯有緩沖電阻。變頻器300經由第二接觸器KM2和第二開關QS2與電機M1相連，電機M1經由第三接觸器KM3和第三開關QS3連接至第二高壓母線200，控制板1用于接收變頻器300的指令控制切換柜1中接觸器KM1～KM3的開合并將切換柜1內的接觸器KM1～KM3的開合狀態反饋給變頻器300，同時用于采集第二高壓母線200的電壓信號并將該電壓信號發送給變頻器300。其中，第一開關QS1、第二開關QS2、及第三開關QS3為人工控制開關，在啟動電機M1之前，首先將第一開關QS1、第二開關QS2、及第三開關QS3閉合，第四接觸器KM4人工控制閉合，然后變頻器3可以控制第二接觸器KM2和第三接觸器KM3切換，以實現電機M1由變頻方式切換為工頻方式。需要說明的是，第一高壓母線100與第二高壓母線200均為三相380V，50hz的工頻電源。

本發明實施例中的變頻器通過自學習方式保存有切換時間、參照頻率下降率、參照有功電流，切換時間為電機斷開變頻輸入至切入工頻輸入的時間，參照頻率下降率為自學習過程中計算得到的封鎖變頻輸出后的電機電壓的頻率下降率，參照有功電流為封鎖變頻輸出時獲取的有功電流。參照圖3，本發明的變頻切換工頻的方法包括步驟S101～S106。

S101，獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率。

具體地，變頻器可以主動獲取或在接收到切換指令后獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率，且獲取工頻信號的相序、相位、及頻率的方法有多種，如通過采樣第二高壓母線的三相輸入電壓信號和變頻信號三相輸出電壓信號，通過數學運算方法獲取相序、相位、和頻率。

其中，該切換指令可由人工發出，如人工可以通過與變頻器連接的上位機或觸摸屏等向變頻器發出該切換指令。為了實現對不同電機的切換控制，需在該切換指令中包含標識符以便變頻器將該切換指令傳遞給所有處于連接的控制板，每個控制板將接收到的標識符與自身的標識符進行比對來確定是否要將對應的電機從變頻方式切換為工頻方式，并將與切換指令中的標識符相同的切換柜確定為目標切換柜，并通過目標切換柜中的控制板采集第二高壓母線的電壓幅值，變頻器接收該控制板發送的第二高壓母線的電壓幅值，并根據第二高壓母線的電壓幅值和數學運算來獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率。

S102，判斷變頻器輸出的變頻信號的相序與工頻信號的相序是否一致；

具體地，在獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率之后，變頻器需要獲取當前變頻信號的相序、相位、及頻率，以判斷變頻信號的相序與工頻信號的相序是否一致。

具體地，若變頻信號的相序與工頻信號的相序一致，則執行步驟S103；若不一致，則執行步驟S105生成提示調整相位的報警信息以提醒工作人員，以及步驟S106若變頻器接收到相序調整指令，根據工頻信號的相序調整變頻信號的相序以使變頻信號的相序與所述工頻信號的相序一致。其中，變頻信號的相序調整可通過更換三相電的連接順序來實現控制電機正轉和反轉。

S103，獲取當前有功電流，并根據當前有功電流、參照有功電流及參照頻率下降率計算當前狀態下進行切換產生的當前頻率下降率，再根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，調整變頻信號的頻率為衰減頻率與工頻信號的頻率之和，調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后補償相位。

具體地，切換時間具體為變頻器向第二接觸器發送分斷指令至變頻器接收到第三接觸器已吸合完成的過程所對應的時間。當變頻器控制多個電機時，為了精確的獲取每一個切換柜的切換時間，變頻器需要對應每一個切換柜進行一次自學習。由于電機在切換過程中的切換時間內處于掉電狀態，電機轉子的頻率將會下降，為了保證在經過切換過程之后，電機轉子的頻率與工頻信號的頻率相同，需要確定該衰減頻率。該衰減頻率包括第一衰減頻率和滑差頻率，可根據以下公式計算出該衰減頻率：

當前頻率下降率根據以下公式確定：

補償相位根據以下公式確定：

其中，a_dec'為當前頻率下降率，a_dec為參照頻率下降率，I_R為參照有功電流，I_R'為當前有功電流，T_km為切換時間，ΔΘ為補償相位。

第一衰減頻率根據以下公式確定：f_dec＝a_dec'×T_km；

若電機為異步電機，滑差頻率可通過以下公式獲得：

故衰減頻率根據以下公式確定：Δf＝f_dec+f_slip；

f_slip為滑差頻率，f_dec為第一衰減頻率，I_out為輸出電流有效值，I_m為勵磁電流，f_syn為同步頻率即調整后的變頻信號的頻率，f_syn＝f_dec+f_slip+工頻信號的頻率，n_N為電機轉速，P為極對數，Δf為衰減頻率。需要說明的是，若電機為同步電機，滑差頻率為零。

需要說明的是，變頻器封鎖輸出后可通過檢測電機反電動勢的頻率來獲取參照頻率下降率。對于同步電機，轉子為永磁或電勵磁，只要轉子頻率不為0即可檢測到反電動勢。對于異步電機，變頻器封鎖輸出后，轉子電流隨轉子逐漸衰減，要保證電機經過切換時間后勵磁電流不為零，即只要轉子頻率不為0即可檢測到反電動勢。

根據采樣電路獲取的變頻器輸出的線電壓及以下公式計算出經過切換柜的切換時間后的參照頻率下降率。

其中，u_a、u_b u_a、u_a為變頻器輸出的三相相電壓，u_ab、u_ac、u_bc為變頻器輸出的對應的線電壓。a_dec為電機在空載狀態下的頻率下降率，切換時間T_km約為100ms，由于切換時間很短，因此參照衰減頻率可按照公式f_dec＝a_dec'×T_km得到。且對于同一電機在不同負載下的頻率下降率可通過轉換公式計算得到。通過該轉換公式可保證電機的頻率下降率只需要學習一次，即可應對不同的負載得到對應的頻率下降率，進而得到在不同負載下對應的第一衰減頻率。

根據第一衰減頻率和滑差頻率求和得到衰減頻率之后，根據衰減頻率和工頻信號的頻率將變頻信號的頻率調整為同步頻率f_syn＝Δf+工頻信號的頻率(50hz)。藉由變頻器的自學習可獲取每一個電機對應的從第二接觸器斷開到第三接觸器吸合的切換時間，并確定在該切換時間內(掉電狀態下)電機轉子頻率的衰減頻率，進而將變頻信號的頻率調整為功率信號的頻率與衰減頻率之和以保證電機轉子頻率在切換過程中經過衰減之后的頻率能夠與工頻信號的頻率一致。

在變頻信號的頻率調整完成后，調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后補償相位。具體地，根據計算出來的補償相位調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后該補償相位以保證電機轉子的相位在切換之后能夠與工頻信號的相位一致，以到達切換之后電子轉子的相序、相位、及頻率與工頻信號的序、相位、及頻率相同，從而避免電機由變頻狀態工作切換為工頻狀態時產生沖擊電流，避免造成電機損壞。

S104，若檢測到變頻信號的頻率和相位調整完成后，控制第二接觸器斷開及第三接觸器閉合。

具體地，當調整了變頻信號的頻率為工頻信號的頻率與衰減頻率和以及調整了變頻信號的相位滯后工頻信號的相位補償相位后，控制第二接觸器斷開，當第二接觸器端開之后控制第三接觸器閉合以實現將電機的輸入從變頻方式切換為工頻方式。

參照圖4，步驟S104的子流程示意圖，步驟S104包括步驟S201～S203。

S201，發送分斷指令給第二接觸器。

S202，若接收到第二接觸器已分斷完成的反饋信息，發送吸合指令給第三接觸器。

S203，若接收到第三接觸器已吸合完成的反饋信息，顯示切換完成信息。

需要說明的是，當變頻器控制多個電機時，變頻器可通過向目標切換柜中的控制板發送分斷指令以控制第二接觸器斷開，并通過控制板檢測第二接觸器是否分斷完成，當第二接觸器分斷完成后，變頻器接收到控制板反饋的分斷信號后，向控制板發送閉合指令以控制第三接觸器吸合，并通過控制板檢測第三接觸器是否吸合完成，若變頻器接收到控制板反饋的第三接觸器吸合完成之后的反饋信息，顯示切換完成信息以提示切換完成，從而實現由變頻方式可靠切換為工頻方式。

本發明實施例中的變頻器通過一次自學習保存有切換時間、參照頻率下降率、參照有功電流，然后獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率，并判斷變頻信號與工頻信號的相序是否一致，若一致，獲取當前有功電流，并根據當前有功電流、參照有功電流及參照頻率下降率計算當前狀態下進行切換產生的當前頻率下降率，再根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，并調整變頻信號的頻率為衰減頻率與工頻信號的頻率之和，調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后補償相位；當變頻信號的頻率和相位調整完成之后，控制第二接觸器斷開及第三接觸器閉合從而完成切換。藉由變頻器的一次自學習參照頻率下降率后，便可以根據頻率下降率與有功電流的轉換公式來獲取在不同負載情況下的當前頻率下降率，從而根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，進而將變頻信號的頻率調整為功率信號的頻率與衰減頻率之和以保證電機轉子頻率在切換過程中經過衰減之后的頻率能夠與工頻信號的頻率一致，以及根據該補償相位調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后該補償相位以保證電機轉子的相位在切換之后能夠與工頻信號的相位一致，以到達切換之后電子轉子的相序、相位、及頻率與工頻信號的序、相位、及頻率相同，從而避免電機由變頻狀態工作切換為工頻狀態時產生沖擊電流，避免造成電機損壞，且不需增加電抗器，從而減低產品成本。

參照圖5，是本發明實施例提供的一種變頻器的示意框圖。如圖所示的本實施例中的變頻器30包括存儲單元31、獲取單元32、判斷單元33、處理單元34、控制單元35、生成單元36、及調整單元37。

存儲單元31，用于存儲變頻器通過自學習方式獲得的切換時間、參照頻率下降率、參照有功電流，切換時間為電機斷開變頻輸入至切入工頻輸入的時間，參照頻率下降率為自學習過程中計算得到的封鎖變頻輸出后的電機電壓的頻率下降率，參照有功電流為封鎖變頻輸出時獲取的有功電流。

獲取單元32，用于獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率。

判斷單元33，用于判斷變頻器輸出的變頻信號的相序與工頻信號的相序是否一致。

處理單元34，用于若變頻信號與工頻信號的相序一致，獲取當前有功電流，并根據當前有功電流、參照有功電流及參照頻率下降率計算當前狀態下進行切換產生的當前頻率下降率，再根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，調整變頻信號的頻率為衰減頻率與工頻信號的頻率之和，調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后補償相位。

控制單元35，用于若檢測到變頻信號的頻率和相位調整完成后，控制第二接觸器斷開及第三接觸器閉合。

生成單元36，用于若所述變頻信號與所述工頻信號的相序不一致，生成提示調整相位的報警信息。

調整單元37，用于若接收到相序調整指令，根據所述工頻信號的相序調整所述變頻信號的相序以使所述變頻信號的相序與所述工頻信號的相序一致。

進一步地，參照圖6，是控制單元的結構框圖。如圖所示，控制單元35包括發送單元351和顯示單元352。

發送單元351，用于發送分斷指令給第二接觸器，以及若接收到第二接觸器已分斷完成的反饋信息，發送吸合指令給第三接觸器。

顯示單元352，若接收到第三接觸器已吸合完成的反饋信息，顯示切換完成信息。

本發明實施例中的變頻器通過一次自學習保存有切換時間、參照頻率下降率、參照有功電流，然后獲取第二高壓母線輸出的工頻信號的相序、相位、及頻率，并判斷變頻信號與工頻信號的相序是否一致，若一致，獲取當前有功電流，并根據當前有功電流、參照有功電流及參照頻率下降率計算當前狀態下進行切換產生的當前頻率下降率，再根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，并調整變頻信號的頻率為衰減頻率與工頻信號的頻率之和，調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后補償相位；當變頻信號的頻率和相位調整完成之后，控制第二接觸器斷開及第三接觸器閉合從而完成切換。藉由變頻器的一次自學習參照頻率下降率后，便可以根據頻率下降率與有功電流的轉換公式來獲取在不同負載情況下的當前頻率下降率，從而根據當前頻率下降率及切換時間計算出切換時間內的衰減頻率及補償相位，進而將變頻信號的頻率調整為功率信號的頻率與衰減頻率之和以保證電機轉子頻率在切換過程中經過衰減之后的頻率能夠與工頻信號的頻率一致，以及根據該補償相位調整變頻信號的相位相對工頻信號的相位滯后該補償相位以保證電機轉子的相位在切換之后能夠與工頻信號的相位一致，以到達切換之后電子轉子的相序、相位、及頻率與工頻信號的序、相位、及頻率相同，從而避免電機由變頻狀態工作切換為工頻狀態時產生沖擊電流，避免造成電機損壞，且不需增加電抗器，從而減低產品成本。

所屬領域的技術人員可以清楚地了解到，為了描述的方便和簡潔，上述描述的控制器和單元的具體工作過程，可以參考前述方法實施例中的對應過程，在此不再贅述。

以上為發明的優選實施例，而非對發明做任何形式上的限制。本領域的技術人員可在上述實施例的基礎上施以各種等同的更改和改進，凡在權利要求范圍內所做的等同變化或修飾，均應落入發明的包含范圍之內。