浅析电网电压定向的变频器的同步切换控制

何建东 贺晓文 郭丽霞

【摘 要】提出一种基于电网电压空间矢量定向的电机变频-工频同步切换的控制策略，并给出在电网电压矢量同步坐标系下检测变频器电压相位的方法，可以精确捕获变频器电压矢量与电网电压矢量在空间上相位相同的时刻，提高同步精度，最大限度地降低变频-工频切换对电网的电流冲击；并且提出采用电力电子开关与交流接触器并联工作的新思路，可解决交流接触器开关延时对切换控制精度的影响；最后设计了基于 DSP控制的电机变频-工频同步切换的实验系统。实验结果证明了理论分析和研究的正确性和有效性。

【关键词】三相异步电机；变频器；电压；电网电压

【中图分类号】TN773【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0396-01

电机变频-工频同步切换控制系统如图1所示，其中KM1、KM3分别是电网侧和变频器侧的交流接触器，KM2、KM4分别是电网侧和变频器侧的电力电子开关，KM1、KM2并联连接，KM3、KM4并联连接；系统分别采用3个霍尔电压传感器采集电网侧相电压ea、eb、ec和2个霍尔电压传感器采集变频器侧的线电压uab、ubc，并对变频器侧的线电压uab、ubc进行低通滤波处理，其中：

uca=-uab-ubc （4）

同步切换控制系统中切换开关的开关动作时间对系统的影响较大，一般交流接触器的开关延时为0.1s左右，约为5个工频周期，在这段开关延时时间内电机速度因负载的不同，其变化差异很大，若不采取改进措施，极易引起两者相位偏差大而导致电机切换时形成瞬时大电流冲击。为避免交流接触器的开关延时对系统的影响，本文采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和电力二极管设计了全控型电力电子开关，物理结构如图2所示，A、B端子用于串接在交流电路中控制交流电路的开通和关断，IGBT集电极和发射极分别连接在二极管桥式整流电路直流输出端的正极和负极，其中，R、C为电压尖峰吸收网络，以防止IGBT关断时被高压击穿。切换信号控制IGBT的栅极电压以控制IGBT的开通和关断，当IGBT开通时，由于整流桥直流侧短路，A、B端子的等效电阻为0，A、B端子中流过交流电流，即处于交流闭合状态；当IGBT关断时，由于整流桥直流侧开路，A、B端子中的交流电流即被切断，A、B端子处于交流开路状态。根据以上分析可知，切换信号可控制A、B端子所串接的交流电路的开通和关断。

电机在变频器激励下运行时，变频器侧的交流接触器KM3和电力电子开关KM4均处于闭合状态，电网侧的交流接触器KM1和电力电子开关KM2均处于断路状态。电机需要切换至电网时，同步切换控制器通过通信接口控制变频器的输出电压频率略高于电网频率（一般为51Hz）至电机运行于稳态，保持电力电子开关KM4导通，给交流接触器KM3发送触发信号控制其断开，等待0.1s确保KM3完成开关动作后，同步控制器通过AD采集电网和变频器的电压数据，根据以上提出的同步检测方法捕获最佳切换时刻。在切换时刻，控制器先关闭KM4，延时50μs以提供死区时间，然后同时触发KM1和KM2使其导通，由于KM2开通时间不超过1.5μs，因此KM2先于KM1导通，约0.1s后，交流接触器KM1完全闭合，将KM2短路，KM2中的电流即为0，因此电机切换成功并进入稳态运行后，电力电子开关电流为0，无需进行散热处理，节省了空间和成本。同时根据以上控制过程，交流接触器KM1、KM3的近似零电压开通和关断，均不会产生电弧，提高了系统的安全性。

三、实验结果

为验证理论分析和研究的有效性，本文以TMS-320F28335DSP为核心在设计了同步切换控制系统，对一台功率为4kW、极对数为2的三相异步电机进行了变频-工频切换实验，电机通过联轴器与测功机和测速发电机相连接，测功机负载转矩设置为25N·m。在此实验系统的基础上，本文对基于电网电压定向的电机同步切换控制策略进行了实验研究，并对单一采用交流接触器和采用电力电子开关与交流接触器并联的切换方式进行了对比实验，实验波形如图3所示。

由图3（a）和（b）可见电机切换至电网时形成较大的电流冲击，冲击电流为稳态电流的5倍左右，电机转速下降较多；由图3（c）和（d）可以看出电机切换至电网时没有出现大的冲击电流，冲击电流的峰值约为稳态峰值的2倍左右，由于采用电力电子开关，电机切换至电网时对电网的电流冲击大幅减小，电机速度变化较小，在发生较小幅度的振荡后逐步进入稳态；由图3（e）和（f）可以明显看出电机切换至电网时对电网的电流冲击大幅减小，冲击电流的峰值进一步降为稳态峰值的1.2倍左右，电机速度变化较前两者更小，基本消除了电机切换至电网时对电网的电流冲击，电机切换前后转速在发生轻微波动后快速进入稳态。

参考文献

[1] 何伟.我国大型交流调速电机的发展[J].电器工业，2004，12：42-45.

[2] 胡超群.高压变频系统应用技术[J].电工技术，2004，03：16-18.