[發明專利]雙并網開關三相鎖相變頻一體機及鎖相方法

有效

• 申請號: 201810084657.9
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108336756B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 王孔照;張鴻年;周利安;王海軍;劉曉軍
• 申請（專利權）人: 寧夏西北駿馬電機制造股份有限公司;西安交通大學
• 主分類號: H02J3/38
• 分類號: H02J3/38;G01R25/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種雙并網開關三相鎖相變頻一體機，由主回路和控制回路組成，主回路由變頻器A、第一真空接觸器KM1、第二真空接觸器KM2、第三真空接觸器KM3、第四真空接觸器KM4，第一電壓霍爾傳感器T1、第二電壓霍爾傳感器T2和電機M1構成；控制回路由第一中間繼電器K01、第二中間繼電器K02、第三中間繼電器K03、第四中間繼電器K04，PLC和控制開關構成；

變頻器A是整個系統運算核心，和PLC通過通訊總線RS232進行通訊；啟動時，變頻器A輸出一個電壓和頻率呈斜坡變化的啟動電壓，保證電機M1順利完成啟動；電機M1運行于穩態后，變頻器A通過第一電壓霍爾傳感器T1和第二電壓霍爾傳感器T2測得電網電壓，對電網電壓相角進行計算，通過控制環節調整變頻器輸出電壓的頻率，使之相位跟蹤電網相位，完成鎖相后，再將開關切換指令通過通訊總線發送給PLC，由PLC完成后續的電源切換的控制；

真空接觸器是受控對象，系統共有四個真空接觸器；第一真空接觸器KM1的輸入端連接電網，輸出端連接變頻器A的輸入端；第二真空接觸器KM2的輸入端連接變頻器A的輸出端UVW，輸出端連接電機的輸入端U1V1W1；第三真空接觸器KM3的輸入端連接至電網的RST端，輸出端連接電機M1的輸入端U1V1W1；第四真空接觸器KM4的輸入端連接電網的RTS端，輸出端連接至電機的輸入端U1V1W1；PLC通過控制四個真空接觸器的通斷，完成整個系統不同運行狀態之間的切換；

第一電壓霍爾傳感器T1的輸入連接電網的R相和S相，輸出端連接變頻器A的模擬量輸入端In1,第二電壓霍爾傳感器T2的輸入連接電網的S相和T相，輸出端連接變頻器A的模擬量輸入端In2,第一電壓霍爾傳感器T1和第二電壓霍爾傳感器T2的輸出地連接變頻器A的GND端；這兩個電壓霍爾傳感器的主要作用是采集電網的線電壓，將采集得到的電壓傳遞給變頻器A作為鎖相程序的輸入信號；

電機M1則為系統的控制對象，完成能量的輸出；

第一中間繼電器K01、第二中間繼電器K02、第三中間繼電器K03和第四中間繼電器K04均接在PLC上，由PLC控制其開關狀態；第一中間繼電器K01、第二中間繼電器K02、第三中間繼電器K03和第四中間繼電器K04又分別串接在第一真空接觸器KM1、第二真空接觸器KM2、第三真空接觸器KM3和第四真空接觸器KM4的控制回路中，作為PLC控制指令的中轉，直接驅動真空接觸器動作；

PLC通過通訊線，接收變頻器A發送的指令，控制相關中間繼電器的動作來控制真空接觸器的動作，進而完成對真空接觸器的控制；

控制開關由第一控制開關S1、第二控制開關S2、第三控制開關S3和第四控制開關S4組成，分別控制啟動的自動模式、手動模式、系統的啟動和系統的停止；

所述雙并網開關三相鎖相變頻一體機的鎖相方法，其特征在于：

包括如下步驟：

一、提取電網的主序分量

第一電壓霍爾傳感器T1采集得到電網線電壓U_RS，第二電壓霍爾傳感器T2采集得到電網線電壓U_TS，通過(1)(2)(3)式求出電網RST三相的相電壓u_r、u_s、u_t：

令v_a＝u_r，v_b＝u_s，v_c＝u_t，以R-S-T順序為正序，R-T-S順序為負序，用(4)式求出電網正序電壓分量其中復數j用移向90°的全通濾波器實現；

用(5)式求出電網負序分量

當三相不對稱時，和都大于零；比較和的大小，絕對值大的即為電網的主序分量；三相對稱時，和有一個不為零，不為零的項即為電網的主序分量；

二、對主序分量進行坐標變換

記a、b、c三相主序分量或為利用3-2變換，將變換到兩相靜止坐標系下，得到靜止坐標系下的沿a相的電壓分量和a相垂直的電壓分量

三、電網電壓相角的計算

將兩相靜止坐標系下的電壓分量和以電網電壓相角的估計值為旋轉電壓角度，進行靜止-旋轉變換，如(6)式所示，得到沿方向的電壓分量和垂直于方向的電壓分量

經變頻器內的PI控制器運算，得到估計頻率的變化量，該變化量加上電網頻率的基頻ω_ff再經過積分運算，將積分運算的結果對2π求余數，該余數即為新的電網電壓相角估計值再利用新的電網電壓相角估計值為旋轉電壓角度，進行靜止-旋轉變換，求出新的垂直于方向的電壓分量如此往復直到為零，PI調節器輸出不變，說明此時的鎖相得到的相角和實際旋轉電壓的相角相同，電網電壓相角計算完成；

四、變頻器輸出電壓相角計算

變頻器A內控制各相電壓輸出的量是各相的占空比給定值，某相的輸出電壓和該相的占空比給定值成正比，用三相占空比給定D_u、D_v、D_w通過3-2變換，得到兩相靜止坐標系下的等效占空比D_d和D_q；

用等效占空比D_d和D_q求得變頻器A輸出的電壓相角θ_r，反正切取θ_r∈[0,2π)

五、變頻器輸出電壓和電網電壓的鎖相

規定以U-V-W順序為變頻器A輸出電壓的正方向，并規定以此相序供電時電機的旋轉方向為正；電網主序分量結合電機M1的旋轉方向做相應的變換，得到電機鎖相的給定相角θ_ref；

電機鎖相的給定相角θ_ref在不同條件下的計算如下表：

表1 鎖相角給定值的計算

將給定相角θ_ref和變頻器輸出電壓相角θ_r作差，差值通過變頻器內的PI控制器運算，得到變頻器輸出電壓的給定頻率變化量，該變化量再經過一個幅度為±0.5Hz的限幅環節，得到最終的變頻器輸出電壓的給定頻率變化量Δf_r；變頻器原給定頻率f_r加上給定頻率變化量Δf_r就是新的變頻器輸出給定頻率如此往復運算，直到θ_ref和θ_r的差值小于5度，則鎖相已完成；

六、切換開關的選擇

切換開關的選擇要結合電網的主序分量情況和電機M1的旋轉方向而定，真空接觸器具體的切換規則如表2所示；其中第三真空接觸器KM3的輸入端連接至電網RST端，輸出端連接至電機M1的輸入端U1V1W1；第四真空接觸器KM4的輸入端連接至電網的RTS端，輸出端連接至電機的輸入端U1V1W1，第三真空接觸器KM3和第四真空接觸器KM4以此連接方式并聯；

表2 開關切換選擇規則

	電機正轉	電機反轉
電網電壓主分量為正序	KM3閉合	KM4閉合
電網電壓主分量為負序	KM4閉合	KM3閉合

鎖相完成后，變頻器A將控制指令通過通訊總線RS232發送給PLC，PLC首先控制第二中間繼電器K02切斷第二真空接觸器KM2，然后根據接收到的判定結果，對第三中間繼電器K03或第四中間繼電器K04發送動作信號，完成第三真空接觸器KM3或第四真空接觸器KM4的閉合動作，完成供電電源的切換。