文档介绍：o变频电源与工频电源的最优同步切换
同步切换/最优控制/锁相环
1  引言
    在使用交流变频调速的场合,由一台变频器控制多台电机(一控多)时,需要实现变频器和工频电源之间的切换控制[1,2,3]。比较先进的控制方式是同步切换,这种方式是将电机用变频电源加速到工频,再使变频电源的输出与工频电网的频率及相位相一致,确认后将电机由变频电源切换到工频电源,即采用锁相控制[4]。冲击电流小是其最大的优点。但是一般的锁相控制用的是PI控制器,响应速度太慢,导致切换过程太长,对整体控制系统性能指标有严重影响。针对此问题,本文提出应用时间最优控制[5]以提高响应速度,但仿真发现稳态误差较大,因此改用基于趋近率的变结构控制[6,7],并得到了较好的结果。
2  锁相环的基本工作原理
    锁相环路(PLL)是一个相位跟踪系统。设工频电源信号:
       (1)
    式中Ui是工频信号的幅度,一般可认为是常数;
    ωi是工频信号的频率,一般可认为是常数;
    θi(t)是工频信号的瞬时相位,也是ui(t)的初始相位,一般可认为是常数。
    设变频器输出(基波)信号
     (2)  
    式中U0是变频器输出信号的幅度,一般可认为是常数;
    ω0(t)是变频器输出信号的频率,是受控变量;
    θ0(t)是变频器输出信号的瞬时相位,是受控变量。
    那么锁相环路的目标是使输出信号u0(t)的相位θ0(t)跟踪输入信号ui(t)的相位θi(t),是一个闭环的相位控制系统。
3  环路的动态方程
    从输入信号加到锁相环路的输入端开始,一直到环路达到锁定的全过程,称为捕获过程。捕获过程所需的时间称为捕获时间,它与环路的参数和起始状态有关。为使捕获过程最短,需要建立环路的动态方程以便推导优化算法,本节的任务是建立环路的动态方程。
相位关系的描述
    输入输出信号的瞬时相位差可表示为:
              (3)
    在式(3)中,θi(t)是以输入信号的载波相位ωit为参考的,而θ0(t)则是以受控变频器基波相位
ωit为参考的。由于参考不同,θi(t)与θ0(t)无法直接比较,因此需选择统一的参考相位。
    为分析方便以输出信号的基波相位ω0t为参考相位,则输入信号的瞬时相位可改写为:
       (4)    
    令:   (5)
    为工频信号频率与变频信号频率之差,称为环路的固有频差。
    再令:  (6)      
    为输入信号以ω0t为参考的瞬时相位,因此4式可改写为:
         (7)
    同理,变频输出信号的瞬时相位可以改写为:
          (8)
         (9)
    式中θ2(t)也是以ω0(t)为参考的瞬时相位。那么利用式(6)和式(9)可表示输入出信号的相位。有了共同的参考就很容易比较。将式(6)和式(9)代入式(3)的到环路的瞬时相位差:
         (10) 
    瞬时频差:
       (11)   
    当输入角频率与输出角频率不同时,两信号矢量将相对旋转,其夹角θe(t)将随时间无限增大,这便是失锁状态。只有当两者角频率相等时,夹角θe(t)维持不变,通常数值又小,这是锁定状态,也是切换所要求的状态。
环路组成
    锁相环路由三部分组成:鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)。如图1所示。
图1 环路组成
鉴相器
    鉴相器是一个比较装置,基本原理如下所述。假设工频电源为正弦信号(一般均能满足),变频电源经滤波后可近似为正弦信号(近似程度取决于滤波电路的好坏)。为了与数字控制系统相匹配而采用触发器型数字鉴相器,其组成示意图如图2,工作原理如图3。当检测到工频输入信号正向过零点时,触发器置“1”,而变频输入信号使触发器置“0”复位。两信号过零点之间间隔可控制高速时钟计数,计数值便反映了相位误差的大小。在图3中若把变频输入信号及其过零检测电路去掉,则触发器置“1”对应正弦信号正半周,对其计数,计数值便反映了信号的频率。瞬时相差与计数器的计数值成比例,所以可以近似为一个线性比例环节。
图2 触发器型数字鉴相器组成示意图
图3 鉴相原理图
  压控振荡器
    在本文中,压控振荡器就是变频器,与电子学中的压-频变换器稍有不同。类似于文献[8]中的推导,本文根据的Padé近似导出变频器的近似模型:
      (12)