三相交流异步电机用双电源切换装置的控制方法与流程

1.本发明涉及一种电源切换技术，特别涉及一种三相交流异步电机用双电源切换装置的控制方法。


背景技术：

2.在重要电动机拖动控制系统中,用电负荷常配置两个电源,即主用电源和备用电源。基于某种原因,如主用电源故障,需要快速切换至备用电源并维持供电,修复后再切换到主用电源,以保证负载不停电运行,提高供电的可靠性。因此需要双电源快速转换装置来实现这一功能。
3.感应电动机在发生故障后或特定的运行控制方式下，短时间断电后再重新投入电源，往往会带来较大的电流与转矩的冲击。根据断电时间和负载条件的不同，重投入所产生的过渡过程也不同，分为以下3种情况：1)若断电时间极短，电动机定子残压的大小和相位与电源电压相差不大，则再投入基本没有冲击电流；2)如果断电时间较长且转速已大幅度下降时投入电源，无论有无残压的影响，电动机都需要经历一个涌流持续数秒的机电动态过程，才能恢复到正常工作状态；3)对于转动惯量较大的情况，电动机反电势可能与备电相位相反，如果将三相电源同时投入的话，会产生较大的瞬态冲击电流，可达直接启动电流的2倍，对电机伤害较大。
4.为减小电流和转矩的冲击，限制切换冲击电流在直接启动电流以内，提出了分相投入控制策略，根据电机参数计算得出两相最佳晶闸管触发角和第三相最佳晶闸管触发角，可以抑制冲击电流，但严重依赖电机的本体参数，推广应用多有不便，且转换时间达到100ms,转换时间过长，不能应用在对转换时间要求高的场合。


技术实现要素：

5.针对电机断电电源切换时存在电流和转矩的冲击问题，提出了一种三相交流异步电机用双电源切换装置的控制方法，实现主用电源、备用电源双电源二选一供电，当主用电源断电时，装置快速切换到备用电源供电，切换时间小于10ms,切换冲击电流不大于三相交流异步电机直接启动电流，不会对电机造成伤害。
6.本发明的技术方案为：一种三相交流异步电机用双电源切换装置的控制方法，其特征在于，主用三相交流电源、备用三相交流电源双电源二选一为负载三相交流异步电机供电，双电源切换装置包括第一切换单元、第二切换单元、换相单元、机械转换开关和控制单元；
7.第一切换单元一端连接主用三相交流电源的a1 b1 c1相，另一端连接换相单元和第二切换单元；第二切换单元一端连接备用三相交流电源的a2 b2 c2相，另一端连接换相单元和第一切换单元；
8.换相单元一端连接第一切换单元、第二切换单元，一端连接机械转换开关；换相单元由9只固态开关构成，3只固态开关作为一组；每组的3只固态开关的一端分别与第一切换
单元和第二切换单元的公共输出a3、b3、c3三相连接，另一端连接在一起作为一个输出端与机械转换开关；机械转换开关为三位置转换开关，主用三相交流电源、备用三相交流电源和换相单元的输出分别通过三位置转换开关与负载三相交流异步电机连接；
9.控制单元采集主用三相交流电源、备用三相交流电源和负载三相交流异步电机的电流电压信号，输出控制信号控制第一切换单元、第二切换单元、换相单元中可控开关的开通和关断；所述第一切换单元由每相上串联一个固态开关，共3只固态开关构成，固态开关由反并联的晶闸管和晶闸管的隔离驱动组成，驱动信号为高电平时固态开关瞬时开通，驱动信号为低电平时，电流过零固态开关关断；所述第二切换单元结构组成与第一切换单元相同；
10.所述机械转换开关包括包括三相开关so、s1、s2，转动机械转换开关分别在三相开关s0、s1、s2不同的位置进行切换；机械转换开关中的三相开关so的触点连接换相单元的输出端与三相交流异步电机之间；机械转换开关中的三相开关s1的触点连接主用三相交流电源输出端与三相交流异步电机之间，机械转换开关中的三相开关s2的触点连接备用三相交流电源输出端与三相交流异步电机之间；
11.控制方法如下：
12.1)判断装置工作模式，若为应急模式，关闭第一切换单元、第二切换单元和换相单元的固态开关，人工通过机械开关进行为负载供电；若将机械转换开关旋至s1位置，三相开关s1触点导通，主用三相交流电源通过机械开关为三相交流异步电机供电；将机械转换开关旋至s2位置，s2触点导通，备用三相交流电源通过机械开关为三相交流异步电机供电；
13.若为自动模式，机械转换开关处于s0位，执行步骤2)；
14.2)判断装置现在为何种供电状态，主用三相交流电源供电状态，备用三相交流电源供电状态或主备均不供电状态？若为主用三相交流电源供电状态，执行3)；若为备用三相交流电源供电状态，执行4)；若为主备均不供电状态，执行5)；
15.3)主电供电状态下，判断主电是否断电：若检测到主电断电，关闭第一切换单元的固态开关，根据备电与负载反电动势相位差根据换相方法开通相应的换相单元的固态开关，进行调相，满足相位要求后开通第二切换单元的固态开关，切换到备电供电状态，执行4)；
16.4)备电供电状态下，判断主电是否恢复：若检测到主电恢复到95％主电电压，等待主备电相位差在9
°
以内后关闭第二切换单元的固态开关，待第二切换单元电流过零关断后开启第一切换单元的固态开关，切换到主电供电状态，执行3)；
17.5)主备均不供电状态下，首先判断主电是否正常：若主电正常，开通第一切换单元的固态开关关闭第二切换单元的固态开关，切换到主电供电状态，执行3)；若主电断电，备电正常，开通第二切换单元的固态开关关闭第一切换单元的固态开关，切换到备电供电状态，执4)；若主备电均断电，切换到主备电均不供电状态，执行5)。
18.进一步，所述的换相方法遵循“相位差最小原则”和“相序不变原则”，通过调相后，备用三相交流电源与负载三相交流异步电机反电动势相位差最小，换相单元输出a4、b4、c4相位依次超前120
°
，相序保持不变；
19.δθ＝φ
备用电源
‑
φ
负载反电动势
，δθ：备用电源与负载反电动势相位差，φ
备用电源
:备用电源相位，φ
负载反电动势
：负载反电动势相位；所述换相单元中9只固态开关依次为ssr7～ssr15，
ssr7～ssr9为一组，ssr10～ssr12为一组，ssr13～ssr15为一组；
20.当
‑
180
°
≤δθ<
‑
60
°
时，ssr9、ssr10，ssr14开通，其余换相单元的固态开关关闭；调相后，a4＝c3,b4＝a3,c4＝b3,a4、b4、c4与负载输入a5、b5、c5的相位差在
±
60
°
以内；
21.当
‑
60
°
≤δθ<60
°
时，ssr7、ssr11，ssr15开通，其余调相单元的固态开关关闭；调相后，a4＝a3,b4＝b3,c4＝c3,a4、b4、c4与a5、b5、c5的相位差在
±
60
°
以内；
22.当60
°
≤δθ<180
°
时，ssr8、ssr12，ssr13开通，其余调相单元的固态开关关闭；调相后，a4＝b3,b4＝c3,c4＝a3,a4、b4、c4与a5、b5、c5的相位差在
±
60
°
以内；
23.经过调相后，切换时相位差在
±
60
°
以内，切换时电压差小于额定电压，切换冲击电流不大于直接启动电流。
24.本发明的有益效果在于：本发明三相交流异步电机用双电源切换装置的控制方法，配置常规的两组由固态开关组成的切换单元外，还配置换相单元，根据三相交流异步电机的反电动势与备电电源的相位差的大小进行换相，换相后的相位差不大于60
°
，切换时电压差不大于额定电压，确保切换冲击电流不大于三相交流异步电机直接启动电流，不会对电机造成伤害。本发明控制方法简单，不需要识别电动机相关参数，切换时间可以控制在10ms以内，切换电流不会对电机造成伤害，可广泛应用在中小型三相交流异步电机的双电源供电中。
附图说明
25.图1为本发明三相交流异步电机用双电源切换装置电气图；
26.图2为本发明基于供电状态控制法流程图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
28.如图1所示本发明三相交流异步电机用双电源切换装置电气图，包括第一切换单元、第二切换单元、换相单元、机械转换开关和控制单元。
29.第一切换单元一端连接三相交流电源1(主用电源)的a1 b1 c1相，另一端连接换相单元和第二切换单元。第一切换单元作为电源切换的执行核心单元，由每相上串联一个固态开关，共3只固态开关(ssr1～ssr3)构成。固态开关由反并联的晶闸管和晶闸管的隔离驱动组成，驱动信号为高电平时固态开关瞬时开通，驱动信号为低电平时，电流过零固态开关关断，固态开关具有较高的耐电压和短时耐电流能力。
30.第二切换单元一端连接三相交流电源2(备用电源)的a2 b2 c2相，另一端连接换相单元和第一切换单元。第二切换单元作为电源切换的执行核心单元，由3只固态开关(ssr4～ssr6)构成。固态开关由反并联的晶闸管和晶闸管的隔离驱动组成，驱动信号为高电平时固态开关瞬时开通，驱动信号为低电平时，电流过零固态开关关断，固态开关具有较高的耐电压和短时耐电流能力。
31.换相单元一端连接第一切换单元、第二切换单元，一端连接机械转换开关。换相单元作为本发明的创新点，由9只固态开关(ssr7～ssr15)构成，3只固态开关作为一组，每组
的3只固态开关的一端分别与第一切换单元和第二切换单元的公共输出a3、b3、c3三相连接，另一端连接在一起作为一个输出端，与机械转换开关中的三相开关s0触点a4、b4、c4中任意一点相接，三相开关s0触点a4、b4、c4的另一端接负载三相交流异步电机。通过控制换相单元中3组固态开关的导通和关断，可以在切换时使备用电源和三相交流异步电机反电动势相位差最小，控制在60
°
以内，抑制切换冲击电流。
32.机械转换开关中的三相开关so的触点连接换相单元的输出端与三相交流异步电机之间，机械转换开关中的三相开关s1的触点连接三相交流电源1(主用电源)输出端与三相交流异步电机之间，机械转换开关中的三相开关s2的触点连接三相交流电源2(备用电源)输出端与三相交流异步电机之间。机械转换开关为三位置转换开关，分别在三相开关s0、s1、s2不同的位置进行切换，机械转换开关中只有一个位置三相开关触点导通，其余位置的触点不导通。自动工作模式下，机械转换开关处于s0位，三相开关s0触点导通，将换相单元的输出与负载相接。当第一切换单元或第二切换单元发生故障，切换到应急模式，可以将机械转换开关旋至s1位置，三相开关s1触点导通，三相交流电源1(主用电源)通过机械开关为三相交流异步电机供电。同样，可以将机械转换开关旋至s2位置，s2触点导通，三相交流电源2(备用电源)通过机械开关为三相交流异步电机供电。机械转换开关的作用为在应急模式下为负载供电，提高了装置供电的连续性。
33.控制单元作为控制方法载体，控制固态开关的开通和关断，是实现快速切换的“大脑”，具有重要的作用。控制单元由控制板、自动/应急工作模式选择开关、人机交互终端组成。
34.控制板接收自动/应急工作模式选择开关的控制信息，检测主用电源电压电流(ua1、ub1、uc1、ia1、ib1、ic1)备用电源电压电流(ua2、ub2、uc2、ia2、ib2、ic2)和负载电压电流(ua3、ub3、uc3、ia3、ib3、ic3)，经过控制方法，产生相应的驱动信号，控制第一切换单元、第二切换单元和换相单元的固态开关的开通和关断，实现切换功能。
35.自动/应急工作模式选择开关设置在人机交互终端显示面板上，分为自动工作模式和应急工作模式两种模式，可以人为选择装置运行模式。正常情况下选择自动工作模式，发生故障时的应急情况下，选择应急工作模式。
36.人机交互终端将控制板采集的相关运行信息、故障信息、供电信息等通过can通讯进行显示，直观显示装置的运行状态、故障情况和供电情况。
37.本发明控制算法采用基于供电状态控制法，如图2所示：
38.第一步：判断装置工作模式，若为应急模式，关闭第一切换单元、第二切换单元和换相单元的固态开关，人工通过机械开关进行为负载供电。若将机械转换开关旋至s1位置，三相开关s1触点导通，三相交流电源1(主用电源)通过机械开关为三相交流异步电机供电。同样，可以将机械转换开关旋至s2位置，s2触点导通，三相交流电源2(备用电源)通过机械开关为三相交流异步电机供电。若为自动模式，机械转换开关处于s0位，执行第二步；
39.第二步：判断装置现在为何种供电状态，主电供电状态，备电供电状态或主备均不供电状态？若为主电供电状态，执行第三步；若为备电供电状态，执行第四步；若为主备均不供电状态，执行第五步；
40.第三步：主电供电状态下，判断主电是否断电。若检测到主电断电，关闭第一切换单元的固态开关(ssr1～ssr3)，根据备电与负载反电动势相位差根据换相方法开通相应的
换相单元的固态开关，进行调相，满足相位要求后开通第二切换单元的固态开关(ssr4～ssr6)，切换到备电供电状态，执行第四步；
41.所述的换相方法遵循“相位差最小原则”和“相序不变原则”。通过调相后，备电与负载反电动势相位差最小，a4、b4、c4相位依次超前120
°
，相序保持不变。
42.δθ＝φ
备用电源
‑
φ
负载反电动势
43.δθ：备用电源与负载反电动势相位差
44.φ
备用电源
:备用电源相位
45.φ
负载反电动势
：负载反电动势相位
46.当
‑
180
°
≤δθ<
‑
60
°
时，ssr9、ssr10，ssr14开通，其余换相单元的固态开关关闭；调相后，a4＝c3,b4＝a3,c4＝b3,a4、b4、c4与a5、b5、c5的相位差在
±
60
°
以内；
47.当
‑
60
°
≤δθ<60
°
时，ssr7、ssr11，ssr15开通，其余调相单元的固态开关关闭；调相后，a4＝a3,b4＝b3,c4＝c3,a4、b4、c4与a5、b5、c5的相位差在
±
60
°
以内；
48.当60
°
≤δθ<180
°
时，ssr8、ssr12，ssr13开通，其余调相单元的固态开关关闭；调相后，a4＝b3,b4＝c3,c4＝a3,a4、b4、c4与a5、b5、c5的相位差在
±
60
°
以内；
49.经过调相后，切换时相位差在
±
60
°
以内，切换时电压差小于额定电压，切换冲击电流不大于直接启动电流，对电机无伤害。
50.第四步：备电供电状态下，判断主电是否恢复。若检测到主电恢复到95％主电电压，等待主备电相位差在9
°
以内后关闭第二切换单元的固态开关，待第二切换单元电流过零关断后开启第一切换单元的固态开关，切换到主电供电状态，执行第三步；
51.第五步：主备均不供电状态下，首先判断主电是否正常。若主电正常，开通第一切换单元的固态开关关闭第二切换单元的固态开关，切换到主电供电状态，执行第三步；若主电断电，备电正常，开通第二切换单元的固态开关关闭第一切换单元的固态开关，切换到备电供电状态，执行第四步；若主备电均断电，切换到主备电均不供电状态，执行第五步。
52.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。