交流異步電動(dòng)機(jī)變頻-工頻切換的探討

1 問(wèn)題的提出

為減少電機(jī)啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊和擺脫電網(wǎng)容量對(duì)電機(jī)啟動(dòng)的制約，有用戶(hù)提出用變頻器啟動(dòng)電機(jī)，在將頻率升到50 Hz后切換至工頻，之后再用變頻器去啟動(dòng)其它電機(jī)。雖然這種切換思想備受爭(zhēng)議，但卻在一些場(chǎng)合得到了一定的應(yīng)用，例如一拖多的供水控制系統(tǒng)、拉絲機(jī)系統(tǒng)、鉆機(jī)系統(tǒng)等。

電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行切換至工頻運(yùn)行的主電路如圖員所示。切換的基本過(guò)程只有兩個(gè)：

1)斷開(kāi)接觸器KM2，切斷電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM3，將電動(dòng)機(jī)投入到工頻電源上。

根據(jù)上述兩個(gè)過(guò)程的先后順序的不同，將有兩種切換方式，即“先投后切”和“先切后投”。

先投后切的切換方式只能用在具有同步切換控制功能的變頻器中，這種方法已在中、高壓變頻器中得到了成功應(yīng)用。而現(xiàn)在的低壓變頻器普遍采用的是兩電平的主回路結(jié)構(gòu)，正是這種主電路結(jié)構(gòu)決定了其不能采用先投后切的控制方式，只

能采用先切后投的控制方式。作電機(jī)變/工頻轉(zhuǎn)換時(shí)大多會(huì)遇到過(guò)這樣的情況：電機(jī)由變頻運(yùn)行狀態(tài)直接向工頻運(yùn)行狀態(tài)切換時(shí)，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生特別大的沖擊電流，能達(dá)到其直接啟動(dòng)電流的兩倍，即為其額定電流的十四五倍，但有的時(shí)候卻幾乎沒(méi)有電流沖擊;而斷開(kāi)變頻一段時(shí)間后再轉(zhuǎn)向工頻時(shí)就不會(huì)再出現(xiàn)太大的沖擊電流，延時(shí)的時(shí)間越長(zhǎng)出現(xiàn)的沖擊電流的峰值就會(huì)越小，這是為什么呢?下面予以分析。

2 問(wèn)題的分析

三相電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場(chǎng)在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的三相電動(dòng)勢(shì)。若斷開(kāi)電源后，主磁場(chǎng)雖然消失，但曾經(jīng)被主磁場(chǎng)磁化的轉(zhuǎn)子鐵芯依然存在剩磁，與此同時(shí)由于慣性轉(zhuǎn)子依然高速旋轉(zhuǎn)，在定子線(xiàn)圈產(chǎn)生的

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并不會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)消失，而只是有所衰減。圖2 是一臺(tái)37 kW電機(jī)兩相之間，在斷開(kāi)變頻器輸出前、后的的定子繞組的電壓波形，由此可看出，斷開(kāi)電源后定子線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)呈逐漸衰減的過(guò)程。圖3 是圖2 的展開(kāi)圖形，仔細(xì)觀(guān)察該圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的降低，定子繞組電壓頻率也在緩慢的下降。

由于變頻器輸出的是PWM 波，其相位不易觀(guān)察，所以測(cè)得在工頻狀態(tài)下的電壓波形，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。因?yàn)樽冾l器50 Hz 時(shí)的輸出電壓與工頻電壓作用在電機(jī)上基本是等效的，并不影響分析結(jié)果。圖4 是一臺(tái)2.2 kW 電機(jī)在工頻電源

下突然斷開(kāi)電源后的電壓波形圖，由該圖可以看出，電壓波形沒(méi)有跳變，所以斷開(kāi)瞬間感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與電源電壓同相位，其幅值也基本相等。隨著剩磁的慢慢消失，電壓幅值逐漸降低，同時(shí)伴隨著轉(zhuǎn)速的降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率逐漸下降，其相位也逐漸與電源相位拉開(kāi)。頻率越低，單位時(shí)間內(nèi)拉開(kāi)的相位差也就越大。

據(jù)此，繪出斷電后電機(jī)感應(yīng)電壓Ud在極坐標(biāo)下衰減的向量示意圖，如圖5 所示。

從圖4 和圖5 中可以看出，瞬間斷開(kāi)電源后，電機(jī)感應(yīng)電壓有所衰減，同時(shí)感應(yīng)電壓與工頻電源電壓的相位已開(kāi)始拉開(kāi)，不同時(shí)刻投入工頻電源，將會(huì)產(chǎn)生不同的吟U。圖6 是電機(jī)重新投入電源時(shí)的等值電路和相量圖。

圖6 中：U為工頻電源電壓;

變頻器輸出電壓起始相位具有隨機(jī)性，只是保證了相與相之間的電壓相位差為120毅。當(dāng)變頻器輸出頻率上升到50 Hz后，在進(jìn)行變頻轉(zhuǎn)工頻的切換時(shí)刻，如果變頻器的輸出正好與工頻電源的相位相差180毅，切除變頻后立即投入工頻的

吟U將達(dá)到近2倍的工頻電壓，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其允許電壓的1.33 倍。吟U過(guò)大將產(chǎn)生很大的沖擊電流，直接作用于切換系統(tǒng)和電動(dòng)機(jī)，這不但導(dǎo)致切換失敗，甚至可能導(dǎo)致電機(jī)和切換系統(tǒng)的損壞。假設(shè)在切換時(shí)刻變頻器輸出的相位與工頻電源是相同的，在圖7所示的重新投入電源的安全區(qū)域圖中，以C為圓心，1.33U為半徑繪出A蓻B，其右側(cè)為投入工頻電源的安全區(qū)域。這樣我們就得到C蓻E、F蓻G、H點(diǎn)以后的三個(gè)安全投入工頻電源的時(shí)間范圍。

3 解決方案

在所有的變頻-工頻切換控制中，都應(yīng)保證變頻器拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)和工頻電源拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向應(yīng)該是一致的。通過(guò)以上分析可以看出C蓻E、F蓻G 、H 點(diǎn)以后三個(gè)安全投入工頻電源的時(shí)間范圍，都是由相位和幅值共同作用的結(jié)果，但還可以分別從相位和幅值兩方面入手來(lái)尋求解決辦法。

方法一：設(shè)法降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值，待其幅值降到約0.33U后切入工頻。

方法二：選擇合適的時(shí)刻，在電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位與工頻電源的相位差值較小的時(shí)刻切入工頻電源。

在前面的分析中知道電機(jī)承受的電壓Um=吟U伊Xm /(Xm+Xs)，如果在回路中串入一電抗承擔(dān)一定的電壓，使電動(dòng)機(jī)承擔(dān)的電壓在允許范圍之內(nèi)，這樣就得到了另一種方法，即方法三：在回路中串入電抗，延時(shí)后將其短路掉。

3.1 降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅值

依賴(lài)時(shí)間的推移來(lái)降低電動(dòng)勢(shì)幅值的方法是不可取的。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，轉(zhuǎn)速也在快速的下降，轉(zhuǎn)差的增大將不太有利于啟動(dòng)電流的減小。

對(duì)圖1 的切換控制主電路進(jìn)行優(yōu)化，得到如圖8所示的切換控制主電路。

切換過(guò)程如下：

1)斷開(kāi)接觸器KM2，切斷電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM4，為電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)提供釋放通路;

3)斷開(kāi)接觸器KM4;

4)接通接觸器KM3，將電動(dòng)機(jī)投入到工頻電源上。

圖9 是接觸器KM4 作用之后對(duì)電動(dòng)勢(shì)影響的對(duì)比圖。由圖9可以看出，KM4提供通路的作用時(shí)間約為300 ms，與一般狀態(tài)同一時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值相比小了很多。適當(dāng)控制KM4的作用時(shí)間，讓其幅值減小到額定電壓的1/3 以下就可以了。這樣，即使由變頻切換至工頻電源時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與工頻電源的相位相差180毅，吟U 也不會(huì)超出其許可的安全范圍了。

此方法簡(jiǎn)單易行，安全可靠，成本增加較小，但仍存在不小的電流沖擊。通過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在KM4 的作用過(guò)程中，會(huì)加快電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，KM4 的作用對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響比對(duì)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幅值的影響要明顯得多。所以此種切換方法的沖擊

電流約為額定電流的3~5倍。

3.2 在回路中串入電抗

在回路中串入電抗器的電路如圖10 所示。

切換過(guò)程如下：

1)斷開(kāi)接觸器KM2，切斷電動(dòng)機(jī)與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM4，在電源與電機(jī)間串入L;

3)接通接觸器KM3，將L 短路掉，將電動(dòng)機(jī)投入到工頻電源上;

4)斷開(kāi)接觸器KM4，完成切換。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)參數(shù)L，就可以將電機(jī)分擔(dān)的電壓控制在允許范圍之內(nèi)，順利完成切換。

此切換方法控制簡(jiǎn)單，較為安全。但電抗器體積龐大，成本增加較多。沖擊電流峰值較大，但持續(xù)時(shí)間短。通過(guò)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，此種切換方法的沖擊電流峰值約為額定電流的4~5.5倍。

3.3 相位檢測(cè)

該方法應(yīng)首先保證在KM2斷開(kāi)時(shí)刻，變頻器的輸出與工頻電源是同相位的。圖7 中C-E 時(shí)間的長(zhǎng)短取決于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率的變化，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率是由電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的。斷電后電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)處于自由制動(dòng)過(guò)程。根據(jù)電力拖動(dòng)原理，在自由制動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速的基本表達(dá)式是

按照過(guò)渡過(guò)程的一般規(guī)律，拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)tp約為系統(tǒng)自由停機(jī)時(shí)間的1/3。各種系統(tǒng)自由停機(jī)的時(shí)間是不同的，有的為十幾s 的時(shí)間，而有的就長(zhǎng)達(dá)十幾min 甚至幾十min。在停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)的系統(tǒng)中，在同相位時(shí)，可以比較容易的在C-E時(shí)間段內(nèi)完成斷開(kāi)KM2接通KM3的過(guò)程，接觸器KM2、KM3的動(dòng)作時(shí)間可以忽略。但在停機(jī)較快的系統(tǒng)中，必須考慮接觸器的動(dòng)作時(shí)間。接觸器的動(dòng)作時(shí)間往往決定著切換控制的成敗。

因感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速是成正比關(guān)系，所以在自由制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的基本表達(dá)式可依據(jù)公式(1)寫(xiě)成

由式(2)分別作出tp=20 s、60 s、120 s時(shí)的電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)頻率衰減曲線(xiàn)，如圖11 所示。

由圖11 可以看出隨著時(shí)間的推移，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位與工頻電源的相位逐漸拉開(kāi)，tp 越小拉開(kāi)越快，t1 時(shí)刻tp=20 s的相位僅比初始動(dòng)作時(shí)間推遲了40 ms 的時(shí)間，但與工頻相比相位差幾乎達(dá)到了90毅，這時(shí)的吟U 就會(huì)較大，有可能造成切換的失敗;但tp=120 s的相位比初始動(dòng)作時(shí)間推遲了80 ms 的時(shí)間，與工頻相比相位差只有60毅左右，吟U就不會(huì)超過(guò)工頻電源電壓，可以安全的切換。通過(guò)以上分析可知，該切換方法對(duì)停機(jī)過(guò)程較長(zhǎng)的系統(tǒng)可以比較容易實(shí)現(xiàn)，而停機(jī)過(guò)程較短的系統(tǒng)就不太適用了。

4 JD-BP 系列變頻-工頻軟切換裝置

山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司在相位檢測(cè)的理論基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了JD-BP 系列變頻-工頻軟切換裝置。該裝置運(yùn)用了提前切換的控制思想，在大量試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的基礎(chǔ)上成功解決了電動(dòng)機(jī)變頻與工頻的切換問(wèn)題。運(yùn)用該裝置的大慣性的切換系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)換瞬間幾乎看不到電流的波動(dòng)，電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)也無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象。在降速過(guò)程較快的供水系統(tǒng)中切換瞬間的最大沖擊電流的峰值也被控制到了1.5 倍的額定電流以下，取得了令人滿(mǎn)意的效果，本裝置已被國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)

局評(píng)定為實(shí)用新型國(guó)家專(zhuān)利，現(xiàn)介紹如下。

4.1 提前切換的目的

該裝置對(duì)通過(guò)檢測(cè)相位的方法進(jìn)行了完善，以提前動(dòng)作的方法來(lái)彌補(bǔ)接觸器動(dòng)作的延遲。變頻器的輸出和工頻電源如果都是絕對(duì)的50 Hz，那么兩者之間的相位差是固定不變的，這樣就談不上相同相位時(shí)刻的切換問(wèn)題。即使由于兩者的誤差

而引起出現(xiàn)同相位的時(shí)刻，也會(huì)因其隨機(jī)性太大，而不能用到實(shí)際的控制中。在實(shí)際的應(yīng)用中，將變

頻器的輸出頻率稍微調(diào)高一些，這樣就可以比較容易地得到它與工頻電源同相位的時(shí)刻了，并且保持在每一個(gè)同相位時(shí)刻來(lái)臨之前，使變頻器輸出的電壓相位總是超前于工頻電源相位。在該段時(shí)間的某一時(shí)刻斷開(kāi)變頻器的輸出，則電動(dòng)機(jī)的

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的相位也是超前于工頻電源的。因此，隨著切換過(guò)程的推移，電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率逐漸下降，這樣就可在與工頻電源同相位時(shí)投入工頻電源，從而順利完成電動(dòng)機(jī)從變頻運(yùn)行到工頻運(yùn)行的切換。雖然有些系統(tǒng)中提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但由于頻率提升很小，而且切換過(guò)程短，所以其影響可忽略。

4.2 切換過(guò)程

當(dāng)系統(tǒng)中的變頻器運(yùn)行到50 Hz，并且經(jīng)過(guò)確認(rèn)需要向工頻切換時(shí)，軟切換裝置開(kāi)始檢測(cè)工頻電源與變頻器輸出的相位，根據(jù)調(diào)試時(shí)的設(shè)定，升高變頻器的頻率，頻率到達(dá)后系統(tǒng)再向軟切換裝置發(fā)出切換命令。軟切換裝置在得到系統(tǒng)發(fā)出的切換指令后，捕捉到同相位時(shí)刻，命令系統(tǒng)斷開(kāi)接觸器KM2，接通接觸器KM3。兩接觸器之間是互鎖的，但兩者之間并沒(méi)有人為的延時(shí)，得到的切換命令是同時(shí)的。

4.3 效果分析

圖12是tp=20 s 的電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的等效曲線(xiàn)與工頻電源的相位比較圖。

圖12 中等效曲線(xiàn)的t0-t1 階段是變頻器輸出在50.5 Hz 時(shí)的等效曲線(xiàn)，t1 右側(cè)是斷開(kāi)變頻器后電動(dòng)機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率衰減曲線(xiàn)。由此圖可以看出t1時(shí)刻兩者的相位差也只有60毅左右，t3時(shí)刻兩者的相位差不到60毅，考慮到接觸器動(dòng)作的延遲，在t3 時(shí)刻之前投入工頻電源是安全的。通過(guò)調(diào)整我們可以在t2時(shí)刻前后投入工頻電源，這樣可以將吟U降到最小。同時(shí)由于整個(gè)過(guò)程沒(méi)有延時(shí)，切換時(shí)間短，再加上頻率的升高，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降極少，更有利于減小沖擊電流。

5 結(jié)語(yǔ)

該裝置電路簡(jiǎn)單，附屬電路少，抗干擾能力強(qiáng)，切換效果好，可適用于各種變頻-工頻轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。