感应电动机失电带载切换电源的控制方法及装置 |
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| 申请号 | CN202211126543.9 | 申请日 | 2022-09-16 | 公开(公告)号 | CN115425740A | 公开(公告)日 | 2022-12-02 |
| 申请人 | 中冶京诚工程技术有限公司; 北京京诚瑞达电气工程技术有限公司; | 发明人 | 年明; 刘丹丹; 张强; 吉磊; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种感应 电动机 失电带载切换电源的控制方法及装置，其涉及电气技术领域，包括：采集感应电动机残压的三相电参数，并将感应电动机残压的三相电参数的 电压 转换成第一两相等效电压；采集第一电源的三相电参数，并将第一电源的三相电参数的电压转换成第二两相等效电压；采集第二电源的三相电参数，并将第二电源的三相电参数的电压转换成第三两相等效电压，计算得到第二两相等效电压和第三两相等效电压之间的第一 相位 差；基于第一两相等效电压和第三两相等效电压得到第一两相等效电压和第三两相等效电压之间的第二 相位差 和幅值差；等等。本 申请 能够有效降低第一电源和第二电源之间切换时出现 电机 损坏的可能性。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种感应电动机失电带载切换电源的控制方法，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 感应电动机失电带载切换电源的控制方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及电气技术领域，特别涉及一种感应电动机失电带载切换电源的控制方法及装置。 背景技术[0002] 大型高压感应电动机是冶金、化工等企业的重要动力设备之一，为了提高重要的感应电动机的运行连续性，一方面在供电网络中可以采用备用电源自动切换装置或自动重合闸装置；另一方面可以采用感应电动机的自启动措施。 [0003] 在现有的大型感应电动机备用电源自动切换装置或自启动措施中，采用高压断路器或重合闸等机械开关，在失电后以最短的时间切换至备用电源，电动机跳闸和合闸的时差越短，磁场衰减越少，以快速达到减小冲击电流的目的。但是，由于自动切换装置或重合闸装置控制高压断路器，均为机械开关，合闸时间基本在50ms左右，合闸行程时间相对依然较长，并且缺乏控制，相当于随机合闸，合闸在恶劣情况的概率较多，此时会产生较大冲击电流，容易造成切换不成功，还有损坏电机的风险。在现场实际应用切换成功的概率较低，分析具体原因可能是由于电机正常运行时启动装置已退出运行，电机在失电后带载切换或带载自启动的某些极端情况下，会直接导致电机设备的严重损坏或大面积停机停产，甚至事故的扩大。因而不少企业不敢采用大型高压感应电动机的自启动，从而企业以牺牲供电可靠性和生产运行连续性为代价来求得电机设备的安全性，很显然，对于企业而言上述选择迫不得已。 发明内容[0004] 针对上述问题，部分企业在此基础上增加了电压判据，通过分析感应电机机端电压，判断电压同期角度控制高压断路器或重合闸装置进行切换，以最小角度来达到减小冲击电流的目的。但是，经过申请人发现，虽然部分企业引入了机端电压判据，但上述操作过程中依然存在问题，第一、机械开关的合闸行程不可控,合闸行程时间误差较大，无法精确执行控制器的指令。第二、机械开关的触头存在弹跳问题，可能引发额外的过渡过程，这会对电机造成二次冲击，可能又一次造成电机的损坏。 [0006] 本发明实施例的具体技术方案是： [0007] 一种感应电动机失电带载切换电源的控制方法，包括： [0008] 采集感应电动机残压的三相电参数，并将所述感应电动机残压的三相电参数的电压转换成第一两相等效电压； [0009] 采集第一电源的三相电参数，并将所述第一电源的三相电参数的电压转换成第二两相等效电压； [0010] 采集第二电源的三相电参数，并将所述第二电源的三相电参数的电压转换成第三两相等效电压，计算得到所述第二两相等效电压和所述第三两相等效电压之间的第一相位差； [0011] 基于所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压得到所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压之间的第二相位差和幅值差； [0012] 基于所述第一相位差和所述第二相位差得到所述第二相位差最小时、且在幅值差小于预设值的条件下的最优控制角； [0013] 在所述最优控制角下将用于对所述感应电动机进行供电的第一电源切换至所述第二电源。 [0014] 优选地，在感应电动机失电时，采集感应电动机残压的三相电参数，并将所述感应电动机残压的三相电参数的电压转换成第一两相等效电压；其中，所述第一两相等效电压的幅值将以时间为常数进行衰减，所述第一两相等效电压的相位将以时间常数围绕圆心旋转。 [0015] 优选地，所述第二两相等效电压的幅值为常数，所述第三两相等效电压的幅值为常数，所述第二两相等效电压的幅值等于所述第三两相等效电压的幅值。 [0016] 优选地，在基于所述第一相位差和所述第二相位差得到所述第二相位差最小时、且在幅值差小于预设值的条件下的最优控制角步骤中， [0017] 所述第二相位差最小时为所述第二相位差接近于0时，即第一两相等效电压与所述第三两相等效电压的相位接近相等时。 [0018] 优选地，在在所述最优控制角下将用于对所述感应电动机进行供电的所述第一电源切换至所述第二电源的步骤中， [0019] 采用晶闸管开关切换装置将所述第一电源切换至所述第二电源。 [0020] 优选地，所述晶闸管开关切换装置包括：用于与所述第一电源相连接的第一输入端、用于与所述第二电源相连接的第二输入端和用于与所述感应电动机相连接的输出端； [0021] 晶闸管单元，其包括并联连接的第一晶闸管和第二晶闸管，所述第一晶闸管与所述第二晶闸管反向设置，所述晶闸管单元的一端能与所述输出端连通，所述晶闸管单元的另一端能分别与所述第一输入端和所述第二输入端连通。 [0022] 优选地，所述晶闸管单元为多个，多个所述晶闸管单元串联连接。 [0023] 优选地，所述晶闸管单元的另一端通过第一电动开关能分别与所述第一输入端、所述第二输入端相连接。 [0024] 优选地，所述晶闸管单元的一端通过第二电动开关与所述输出端相连接。 [0025] 优选地，所述感应电动机包括1kV至10kV的交流感应电动机。 [0026] 一种感应电动机失电带载切换电源的控制装置，所述感应电动机失电带载切换电源的控制装置包括： [0027] 第一采集转换模块，用于采集感应电动机残压的三相电参数，并将所述感应电动机残压的三相电参数的电压转换成第一两相等效电压； [0028] 第二采集转换模块，用于采集第一电源的三相电参数，并将所述第一电源的三相电参数的电压转换成第二两相等效电压； [0029] 第三采集转换模块，用于采集第二电源的三相电参数，并将所述第二电源的三相电参数的电压转换成第三两相等效电压； [0030] 第一比较模块，用于计算得到所述第二两相等效电压和所述第三两相等效电压的第一相位差； [0031] 第二比较模块，用于基于所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压得到所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压的第二相位差和幅值差； [0032] 最优控制角获取模块，用于基于所述第一相位差和所述第二相位差得到所述第二相位差最小时、且在幅值差小于预设值的条件下的最优控制角； [0033] 切换模块，用于在所述最优控制角下将用于对所述感应电动机进行供电的第一电源切换至所述第二电源。 [0034] 本申请可以取得如下有益效果： [0035] 1、本申请中的感应电动机失电带载切换电源的控制方法及其装置具有稳定可靠、精度高、适应性强的特点，解决了目前在用切换电源装置的缺陷，通过分析感应电动机反馈残压以及第一电源和第二电源的相位差异，从而计算出切换电源的最优控制角，在感应电动机带载未完全停运前，在最优控制角下切换至备用电源，进而使感应电动机成功恢复电源，该过程可以有效降低备用电源接入时，备用电源对感应电动机造成的冲击电流，有效提高切换成功率，有效降低第一电源和第二电源之间切换时出现电机损坏的可能性。 [0037] 在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。 [0038] 图1为本发明在实施例中感应电机的数学模型； [0039] 图2为本发明在实施例中的流程图； [0040] 图3为感应电动机失电时第一两相等效电压的相位示意图； [0041] 图4为本发明在实施例中切换电源控制原理图； [0042] 图5为本发明在实施例中电源切换装置的结构示意图； [0043] 图6为本发明在实施例中感应电动机失电带载切换电源的控制装置的结构示意图。 具体实施方式[0044] 结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。 [0045] 为了能够有效降低第一电源和第二电源之间切换时出现电机损坏的可能性，在本申请中提出一种感应电动机失电带载切换电源的控制方法，图2为本发明在实施例中的流程图，如图2所示，该感应电动机失电带载切换电源的控制方法可以包括以下步骤： [0046] S101：采集感应电动机残压的三相电参数，并将所述感应电动机残压的三相电参数的电压转换成第一两相等效电压。 [0047] 图1为本发明在实施例中感应电机的数学模型，如图1所示，其中，US表示电源电压，R1表示定子电阻，R2表示转子电阻，X1表示定子漏抗和转子漏抗，E1表示定子感应电动势，E2表示转子感应电动势。在感应电动机失电前， [0048] E1＝4.44f1N1kw1Φm， [0049] E2＝4.44f1N2kw2Φm， [0050] UM＝US＝E1+(R1+jX1)I1, [0051] 当感应电动机电源失电时刻，定子电流为零，气隙磁链仍然保持切换前的值。转子电流维持气隙磁链不变，在定子绕组产生感应电动势，这就是定子开路反馈电压，其一般形式可以表征如下： [0052] [0053] 其中，UM表示反馈电压或残压；T表示转子绕组每相的时间常数，T＝LR/rR；LR表示转子绕组每相电感；rR表示转子绕组每相电阻；jS表示定子磁链空间矢量；kS表示电源角频率；k表示电动机轴角速度(频)；k'表示电动机角频与电源角频之差。 [0054] 随着转子绕组电流的衰减和电机转速的下降，失电残压UM的幅值将不断减小，频率也不断下降。在本步骤，图4为本发明在实施例中切换电源控制原理图，如图4所示，首先不断采集感应电动机残压UM的三相电参数，并将所述感应电动机残压的三相电参数的电压转换成第一两相等效电压。因此，在感应电动机失电时，可以采集感应电动机残压的三相电参数。在将所述感应电动机残压的三相电参数中的电压通过坐标变换转换成第一两相等效电压时，所述第一两相等效电压的幅值将以时间为常数进行衰减，图3为感应电动机失电时第一两相等效电压的相位示意图，如图3所示，所述第一两相等效电压的相位将以时间常数围绕圆心旋转。 [0055] S102：采集第一电源的三相电参数，并将所述第一电源的三相电参数的电压转换成第二两相等效电压。 [0056] 在本步骤中，采集第一电源Us1的三相电参数，并将所述第一电源的三相电参数的电压US1通过坐标变换转换成第二两相等效电压。由于第一电源Us1的三相电参数基本是固定规律的，因此在第一电源Us1断电前就可以提前采集完成第一电源Us1的三相电参数。所述第二两相等效电压的幅值为常数，相位也为常数。第一电源先用于对所述感应电动机进行供电，之后第一电源Us1出现断电情况下，需要切换至第二电源对所述感应电动机进行供电。 [0057] S103：采集第二电源的三相电参数，并将所述第二电源的三相电参数的电压转换成第三两相等效电压，计算得到所述第二两相等效电压和所述第三两相等效电压之间的第一相位差。 [0058] 在本步骤中，同样的，采集第二电源Us2的三相电参数，并将所述第二电源Us2的三相电参数的电压US2通过坐标变换转换成第三两相等效电压。由于第二电源Us2的三相电参数基本是固定规律的，因此也可以提前采集完成第而电源的三相电参数。所述第三两相等效电压的幅值为常数，相位也为常数。一般而言，由于第一电源Us1和第二电源Us2均能够对感应电动机进行供电，因此，一般而言，所述第二两相等效电压的幅值等于所述第三两相等效电压的幅值。 [0059] 根据所述第二两相等效电压中的相位和第三两相等效电压中的相位计算得到所述第二两相等效电压和所述第三两相等效电压之间的第一相位差ΔθS。 [0060] S104：基于所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压得到所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压之间的第二相位差和幅值差。 [0061] 在本步骤中，同样的，根据所述第一两相等效电压中的相位和第三两相等效电压中的相位计算得到所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压之间的第二相位差ΔθM。根据所述第一两相等效电压中的幅值和第三两相等效电压中的幅值计算得到所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压之间的幅值差ΔU。在得到第二相位差ΔθM和幅值差ΔU之后，可以分别对两者进行去噪过滤操作。 [0062] S105：基于所述第一相位差和所述第二相位差得到所述第二相位差最小时、且在幅值差小于预设值的条件下的最优控制角。 [0063] 在该步骤中，由于第二相位差ΔθM随着时间在不断的变化，根据所述第一相位差和所述第二相位差得到所述第二相位差ΔθM最小时、且在幅值差小于预设值的条件下的最优控制角α。即获取满足上述条件时刻下的感应电动机转动至的角度为最优控制角[0064] 进一步的，所述第二相位差最小时可以为所述第二相位差接近于0时，即第一两相等效电压与所述第三两相等效电压的相位接近相等时。在幅值差小于预设值Uf1的条件中，预设值Uf1可以为认为设定的一个较为安全的最大幅值差可行值。 [0065] 同时，在感应电动机失电的时刻，感应电动机的反馈电压的采样电压Um有可能缺失或畸变，无法直接使用，因此无法根据采样电压Um得到△θM。当采样电压Um出现缺失或畸变时，此时需根据△θs和衰减时间常数已经建立△θM的预测模型，即△θM＝f(△θs，t)，f表示△θM基于△θs和衰减时间常数t下的关系式，可以提前通过试验模拟得到，从而基于预测模型直接得到△θM，进而作为计算最优控制角的有效补充。 [0066] S106：在所述最优控制角下将用于对所述感应电动机进行供电的第一电源切换至所述第二电源。 [0067] 在该步骤中，获取到最优控制角后，在感应电动机转动至的角度为最优控制角下时，将用于对所述感应电动机进行供电的第一电源Us1切换至所述第二电源Us2，这样可以有效降低第二电源Us2接入时，第二电源Us2对感应电动机造成的冲击电流，有效提高切换成功率。 [0068] 进一步的，可以采用晶闸管开关切换装置将所述第一电源Us1切换至所述第二电源Us2。晶闸管开关切换装置作为电源切换的执行装置，可以有效保证切换装置的稳定性和快速性，有利于提供切换电源的成功率。 [0069] 图5为本发明在实施例中电源切换装置的结构示意图，如图5所示，第一电源与感应电动机之间通过常规的高压断路器或重合闸等第一机械开关相连接，第二电源与感应电动机之间通过常规的高压断路器或重合闸等第二机械开关相连接。 [0070] 作为可行的，所述晶闸管开关切换装置可以包括：用于与所述第一电源相连接的第一输入端、用于与所述第二电源相连接的第二输入端和用于与所述感应电动机相连接的输出端；晶闸管单元，其包括并联连接的第一晶闸管和第二晶闸管，所述第一晶闸管与所述第二晶闸管反向设置，所述晶闸管单元的一端能与所述输出端连通，所述晶闸管单元的另一端能分别与所述第一输入端和所述第二输入端连通。为了实现晶闸管单元的另一端能与所述第一输入端和所述第二输入端实现通断，所述晶闸管单元的另一端通过第一电动开关分别与所述第一输入端、所述第二输入端相连接。电动开关可以为电子切换装置，其合闸时间一般均小于5微妙，因此可以高精度的控制指令。为了实现所述晶闸管单元的一端能与所述输出端的通断，所述晶闸管单元的一端通过第二电动开关与所述输出端相连接。 [0071] 由于单个晶闸管单元性能有限的原因，其承压能力有限，当晶闸管开关切换装置需要承受的电压较高时，所述晶闸管单元可以为多个，可以将多个所述晶闸管单元串联连接。通过上述方式，可以使得该晶闸管开关切换装置适用于1kV至10kV的交流感应电动机。 [0072] 晶闸管作为一种半导体元件，在未被触发前，是断开的状态。需要导通时，是由控制器发给晶闸管的门极一个高电平，使晶闸管导通，其结构上不存在断点，是完全连接在一起的。在所述最优控制角下利用控制器给晶闸管开关切换装置中的晶闸管单元的门极发送一个高电平，从而使晶闸管导通，此时，第二电源就通过所述晶闸管开关切换装置实现与感应电动机的连通。 [0073] 假设感应电动机正常运行时，此时第一电源Us1供电，第二电源Us2和晶闸管开关切换装置VS1均处备用状态，即第一机械开关QF1合闸状态，第一电动开关DS1处于Us1侧，第二电动开关DS2和第二机械开关QF2处于分闸状态。当第一电源Us1出现故障第一机械开关QF1断开时，感应电动机处于失电状态，此时需将第二电动开关DS2合闸，晶闸管开关切换装置VS1将按照控制器的指令，在最优控制角时进行合闸，并由控制器发给晶闸管的门极一个高电平，使晶闸管导通，以实现最小的切换电流，在合闸时，第一电动开关DS1切换至第二电源Us2一侧，即与第二输入端连接。晶闸管开关切换装置Vs1合闸成功后，再合闸第二机械开关QF2，此时，晶闸管开关切换装置已完成切换任务，可以分闸第二电动开关DS2，将第一电动开关DS1转接至第一电源Us1侧，将晶闸管开关切换装置Vs1退出。完成切换后，晶闸管开关切换装置Vs1和第一电源Us1将成为第二电源Us2的备用电源，等待下一次切换任务。 [0074] 在本申请中还提出了一种感应电动机失电带载切换电源的控制装置，图6为本发明在实施例中感应电动机失电带载切换电源的控制装置的结构示意图，如图6所示，所述感应电动机失电带载切换电源的控制装置可以包括： [0075] 第一采集转换模块100，用于采集感应电动机残压的三相电参数，并将所述感应电动机残压的三相电参数的电压转换成第一两相等效电压。 [0076] 第二采集转换模块200，用于采集第一电源的三相电参数，并将所述第一电源的三相电参数的电压转换成第二两相等效电压。 [0077] 第三采集转换模块300，用于采集第二电源的三相电参数，并将所述第二电源的三相电参数的电压转换成第三两相等效电压。 [0078] 第一比较模块400，用于计算得到所述第二两相等效电压和所述第三两相等效电压的第一相位差。 [0079] 第二比较模块500，用于基于所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压得到所述第一两相等效电压和所述第三两相等效电压的第二相位差和幅值差。 [0080] 最优控制角获取模块600，用于基于所述第一相位差和所述第二相位差得到所述第二相位差最小时、且在幅值差小于预设值的条件下的最优控制角。 [0081] 切换模块700，用于在所述最优控制角下将用于对所述感应电动机进行供电的第一电源切换至所述第二电源。切换模块与晶闸管开关切换装置相电性连接，以对晶闸管开关切换装置进行控制，切换模块对在所述最优控制角下利用晶闸管开关切换装置将所述第一电源Us1切换至所述第二电源Us2。 [0082] 本申请中的感应电动机失电带载切换电源的控制方法及其装置具有稳定可靠、精度高、适应性强的特点，解决了目前在用切换电源装置的缺陷，通过分析感应电动机反馈残压以及第一电源和第二电源的相位差异，从而计算出切换电源的最优控制角，在感应电动机带载未完全停运前，在最优控制角下切换至备用电源，进而使感应电动机成功恢复电源，该过程可以有效降低备用电源接入时，备用电源对感应电动机造成的冲击电流，有效提高切换成功率，有效降低第一电源和第二电源之间切换时出现电机损坏的可能性。另外采用了具有晶闸管单元的晶闸管开关切换装置作为切换电源的执行装置，进一步保证了切换装置的稳定性和快速性，有利于提高切换电源成功率，具有显著的经济效益。 [0083] 在本申请中还提出了一种感应电动机失电带载切换电源的装置，包括存储器和处理器，存储器中存储计算机程序，所述计算机程序在被所述处理器执行时，实现以下步骤：如上述任一所述的感应电动机失电带载切换电源的控制方法。 [0084] 在本实施方式中，所述存储器可以包括用于存储信息的物理装置，通常是将信息数字化后再以利用电、磁或者光学等方法的媒体加以存储。本实施方式所述的存储器又可以包括：利用电能方式存储信息的装置，如RAM、ROM等；利用磁能方式存储信息的装置，如硬盘、软盘、磁带、磁芯存储器、磁泡存储器、U盘；利用光学方式存储信息的装置，如CD或DVD。当然，还有其他方式的存储器，例如量子存储器、石墨烯存储器等等。 [0085] 在本实施方式中，所述处理器可以按任何适当的方式实现。例如，所述处理器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式等等。本说明书实施方式提供的服务器，其处理器和存储器实现的具体功能，可以与本说明书中的前述实施方式相对照解释。 [0086] 本申请中还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述所述方法的步骤。 [0087] 本申请可用于众多通用或专用的计算机系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。 [0088] 本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。 |
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