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關(guān)于變頻器的輸出切換問題
關(guān)于變頻器的輸出切換問題
交流異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會(huì)給供電系統(tǒng)和拖動(dòng)系統(tǒng)帶來不利影響,，故對于容量較大的異步電動(dòng)機(jī)一般都要采用軟起動(dòng)方案。常用的方法是降壓起動(dòng)，但由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與所加電壓的平方成正比,，所以降壓起動(dòng)只適用于空載或輕載起動(dòng)的設(shè)備。即使如此，在降壓起動(dòng)過程中，由于沒有改變電源頻率,，過大的轉(zhuǎn)差率的存在，也不可避免地會(huì)出現(xiàn)較大的過電流,。對于重載起動(dòng)的設(shè)備則需要采用變頻軟起動(dòng)方案,，即用變頻器帶動(dòng)電機(jī)從零速開始起動(dòng)，逐漸升壓升速,，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速,。變頻軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會(huì)產(chǎn)生過電流,；并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)力矩,，故特別適合于需重載或滿載起動(dòng)的設(shè)備。
如果變頻器僅僅承擔(dān)軟起動(dòng)的任務(wù),，不作調(diào)速運(yùn)行的話,，則在變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行,，變頻器可以再去起動(dòng)其他的電動(dòng)機(jī),。母管制多泵恒壓供水系統(tǒng)就是一個(gè)典型的例子。當(dāng)水壓過高需要停泵時(shí),，為了避免“水錘效應(yīng)"，也不允許突然切斷水泵電源,，而要求逐漸降低轉(zhuǎn)速緩慢停車,。這時(shí)就需要將電動(dòng)機(jī)再切換到變頻器拖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速停車,。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作,。
變頻器的輸出切換問題，目前尚未得到足夠的重視,，因而在認(rèn)識上還存在著一些誤區(qū)：一種看法是將變頻器當(dāng)作一般的交流電源,，或者象軟起動(dòng)器一樣,，因而可以將電動(dòng)機(jī)在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認(rèn)為由于變頻器自身的設(shè)計(jì)原理,，是不允許變頻器在運(yùn)行中進(jìn)行切換的,。這兩種看法都不免有失偏頗，所以有關(guān)變頻器在拖動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用的文章中,，碰到變頻器的切換問題時(shí),，要么有意回避，不作具體描述,；要么一語帶過,，用簡單的一句“切換到電網(wǎng)運(yùn)行"了之。即使有些文章在切換問題上進(jìn)行了一些探索,，但是也沒有將這個(gè)問題的本質(zhì)揭示出來,，給人一種功虧一匱的感覺。本文試圖從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā),，對變頻器輸出切換問題作進(jìn)一步的分析探討,，不妥之處，歡迎同行們批評指正,。
二,、變頻器的輸出切換方法分類
首先對目前工程設(shè)計(jì)中常用的變頻器的輸出切換方式進(jìn)行大致的分類，然后再逐一加以討論,。
冷切換在變頻器停車停電時(shí)進(jìn)行切換,，等切換完成后再開機(jī)運(yùn)行。
熱切換在變頻器運(yùn)行中進(jìn)行帶電切換,，又可分為硬切換電動(dòng)機(jī)在切換時(shí)要瞬時(shí)停電,，因而難免會(huì)產(chǎn)生沖擊。
軟切換也叫同步切換,，真正的不停電平穩(wěn)切換,。
冷切換是切換方式，但它只能用于可以間斷工作的負(fù)載,；對于需連續(xù)工作的負(fù)載,，只能采用熱切換的方式。
三,、硬切換的危害性及改進(jìn)辦法
1,、由變頻器向電網(wǎng)切換
變頻器拖動(dòng)電機(jī)軟起動(dòng)，逐漸升速,，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50Hz,，電壓達(dá)到額定電壓，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),，快速將電動(dòng)機(jī)從變頻器切出,，再立即投入電網(wǎng)運(yùn)行,。如果開關(guān)的速度快，碰巧也許不會(huì)出現(xiàn)過大的沖擊電流,，電動(dòng)機(jī)在承受較小的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊后正常全速運(yùn)行,。通常在切換前必須保證變頻器的輸出與電網(wǎng)電壓同相序，并最好要進(jìn)行電壓的幅值,、頻率及相位跟蹤,，使其與電網(wǎng)盡量保持一致，否則將會(huì)引起嚴(yán)重的后果,。另外,，為了避免變頻器突然甩負(fù)荷而使功率器件承受過大的電流電壓沖擊而損壞，故在將電動(dòng)機(jī)從變頻器切離之前,，應(yīng)先變頻器的輸出,。
當(dāng)電動(dòng)機(jī)斷開電源后，由于定子開路,，定子繞組中儲(chǔ)存的磁場能量要經(jīng)過較長的時(shí)間才能衰減完,，而轉(zhuǎn)子是短路的，轉(zhuǎn)子電流將按一定的時(shí)間常數(shù)衰減,，這個(gè)電流產(chǎn)生的磁通,，因?yàn)檗D(zhuǎn)子還在旋轉(zhuǎn)，就會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢（反電勢）,。感應(yīng)電勢的頻率和相位是隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化的,。當(dāng)轉(zhuǎn)子電流尚未衰減到零時(shí)，若合上電源,，會(huì)因?yàn)殡娫措妷号c定子儲(chǔ)能電勢和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的相位差而產(chǎn)生沖擊電流,，若合閘時(shí)電源電壓與感應(yīng)電勢的相位差剛好為180°時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生比起動(dòng)電流還要大的沖擊電流,，這會(huì)影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行及電動(dòng)機(jī)的壽命,。因此電動(dòng)機(jī)在斷開電源后，應(yīng)該等轉(zhuǎn)子電流充分衰減后再合上電源,。轉(zhuǎn)子電流衰減的時(shí)間視電動(dòng)機(jī)容量的大小及其所帶負(fù)荷的大小而異,，一般為1～3s。
由電動(dòng)機(jī)反電勢引起的過電流與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)（S=1）所產(chǎn)生的堵轉(zhuǎn)電流不是一回事,，所以在切換時(shí)會(huì)面臨二個(gè)問題：一方面要避開反電勢引起的沖擊電流,，另一方面又要利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以減小合閘沖擊電流,。因此應(yīng)當(dāng)選擇一個(gè)最為合適的時(shí)間重合閘,，才能使切換引起的沖擊電流最小,，倒并非要等轉(zhuǎn)子*停止后再合閘,，因?yàn)榇藭r(shí)的電流即為全壓靜止起動(dòng)電流,。
由此可見，硬切換一定會(huì)引起沖擊電流,，只是其值大小不同罷了,，不可能做到平穩(wěn)切換。為了減小硬切換時(shí)引起的沖擊電流,，當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)達(dá)到50Hz時(shí),，可在變頻器及電動(dòng)機(jī)參數(shù)許可的范圍內(nèi)，繼續(xù)加速到55Hz左右,，再將電動(dòng)機(jī)從變頻器切出,，電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自由停車運(yùn)行，同時(shí)轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減,，經(jīng)過1～2s,，轉(zhuǎn)子電流基本已衰減為零，且轉(zhuǎn)速也已下降到額定轉(zhuǎn)速附近時(shí),，再將電動(dòng)機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行,，將會(huì)有較小的沖擊電流。當(dāng)然為了避免電動(dòng)機(jī)從變頻器切出時(shí)變頻器因甩負(fù)荷而引起的過電壓損壞功率器件,，在切換前應(yīng)先變頻器的輸出,。
2、由電網(wǎng)向變頻器切換
到目前為止,，還沒有人敢在變頻器運(yùn)行中將電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)向變頻器切換,，因?yàn)橛梢陨系姆治隹芍@無疑是對變頻器作一次破壞性的試驗(yàn),，過大的沖擊電流將使變頻器跳閘或損壞,。
如果電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的負(fù)載不允許突然停車的話，或者須由定速運(yùn)行轉(zhuǎn)為調(diào)速運(yùn)行時(shí),，可以這樣操作：先將電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)切除,，自由停車運(yùn)行，延時(shí)1～2s,，避開反電勢的影響,，輸出的情況下將電機(jī)接到變頻器，變頻器跟蹤電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并以跟蹤頻率啟動(dòng)運(yùn)行,，沖擊將會(huì)很小,。ABB公司的ACS1000型變頻器就有跟蹤起動(dòng)功能。
三,、同步切換（軟切換）
同步切換就是在不停電的情況下,，利用鎖相環(huán)技術(shù)，使變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致,，然后可進(jìn)行變頻器與電網(wǎng)之間的相互平穩(wěn)切換,。
1、由變頻器向電網(wǎng)切換
同步切換的過程是這樣的：變頻器拖動(dòng)電機(jī)軟起動(dòng),，平穩(wěn)升頻到接近50Hz,，進(jìn)入鎖相環(huán)路的捕捉范圍，之后在鎖相環(huán)路的作用下,，鎖定變頻器輸出電壓的頻率,、幅值、相序和相位與工頻電網(wǎng)一致,，將電動(dòng)機(jī)與工頻電網(wǎng)之間的接觸器吸合,，電網(wǎng)和變頻器同時(shí)向電動(dòng)機(jī)供電，然后變頻器的輸出,，并將電機(jī)從變頻器切出,，電動(dòng)機(jī)即平穩(wěn)地切換到電網(wǎng)運(yùn)行。
由于進(jìn)行了同步操作,，變頻器的輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)保持一致,，在接入電網(wǎng)時(shí)對變頻器和電動(dòng)機(jī)都不會(huì)有什么影響。然后有一段時(shí)間變頻器和電網(wǎng)同時(shí)對電動(dòng)機(jī)供電,。為了使變頻器能安全而退,，應(yīng)該逐漸減小變頻器的負(fù)荷，可以稍稍降低變頻器的輸出電壓幅值,，然后變頻器的輸出,，再進(jìn)行切換操作。
2,、由電網(wǎng)向變頻器切換
在由電網(wǎng)向變頻器同步切換之前,，變頻器先空載加速到50Hz，啟動(dòng)鎖相環(huán)路的跟蹤技術(shù),，經(jīng)過一段時(shí)間的跟蹤調(diào)整,，達(dá)到鎖定狀態(tài)后變頻器合閘，然后電網(wǎng)開關(guān)跳閘,，電動(dòng)機(jī)即平穩(wěn)地由電網(wǎng)切換到變頻器調(diào)速運(yùn)行,。
為了盡量減小切換過程中對變頻器的沖擊作用，在鎖定狀態(tài)變頻器合閘之前,，應(yīng)稍稍調(diào)低變頻器輸出電壓的幅值,，以免合閘時(shí)造成對變頻器過大的沖擊電流。在過渡到由電網(wǎng)和變頻器同時(shí)向電動(dòng)機(jī)供電階段,，再稍稍調(diào)高變頻器輸出電壓的幅值,，逐漸將負(fù)荷從電網(wǎng)向變頻器轉(zhuǎn)移,，以免在電網(wǎng)開關(guān)跳閘時(shí)對變頻器造成過大的沖擊。
3,、鎖相控制
鎖相控制就是利用鎖相環(huán)路（PLL）通過讓變頻電源的頻率和相位自動(dòng)跟蹤工頻電源的頻率和相位,，達(dá)到“鎖定"狀態(tài)，從而為同步切換創(chuàng)造條件,。鎖相環(huán)路是一個(gè)閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動(dòng)地跟蹤輸入信號的頻率和相位,，使輸出信號的頻率和相位與輸入信號同步,，稱之為“鎖定"。鎖相環(huán)路主要由鑒相器（PD）,、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO,，這里即為變頻器）三個(gè)基本部分組成，其構(gòu)成如圖1所示,。
圖2為具有同步切換功能的交流異步電動(dòng)機(jī)循環(huán)軟起動(dòng)切換控制裝置框圖,。用一臺(tái)變頻器分時(shí)軟起動(dòng)3臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)，每一臺(tái)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)以后,，切換到工頻電網(wǎng)定速運(yùn)行,。系統(tǒng)由變頻器、相位信號取樣電路,、鎖相控制電路,、可編程控制器和切換接觸器等組成。相位信號取樣電路對工頻電源和變頻器輸出電壓實(shí)行取樣,、隔離和整形處理,。鎖相環(huán)路由鎖相控制電路和變頻器組成；鎖相控制電路則由鑒相器和環(huán)路濾波器組成,。
同步切換控制系統(tǒng)以工頻電源的電壓相位信號θ1(t)作為基準(zhǔn)信號,，變頻器輸出的電壓相位信號θ2(t)作為跟蹤信號。鑒相器比較兩個(gè)信號的相位,，輸出一個(gè)正比于兩個(gè)信號相位差的電壓信號ud(t),，經(jīng)濾波器濾波后作為變頻器的輔助頻率給定信號，用以控制變頻器輸出電壓的頻率和相位,，達(dá)到跟蹤工頻電源頻率和相位的目的,。當(dāng)二者的頻率相等，相位差穩(wěn)定在一個(gè)較小的數(shù)值時(shí),，稱為鎖定,，此時(shí)輸出一個(gè)切換信號，便可以在PLC的控制下,，安全,、平穩(wěn)地進(jìn)行變頻器和工頻電網(wǎng)之間的相互切換了,。
4、ABB公司ACS1000中壓變頻器的同步切換控制功能
ACS1000型中壓變頻器,，是ABB公司用最新功率開關(guān)器件—IGCT（集成門極換流晶閘管）設(shè)計(jì)生產(chǎn)的三電平新型高效中壓變頻器系列,。并采用了*的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)，從而獲得了非常出色的轉(zhuǎn)矩特性和速度響應(yīng)特性,。輸出功率315kW～5000kW,；輸出電壓等級有2.3kV、3.3kV,、4.16kV,。（對于6kV電機(jī)須進(jìn)行Y/△改接）
ACS1000變頻器的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，為了滿足電動(dòng)機(jī)循環(huán)軟起動(dòng)及調(diào)速運(yùn)行和定速運(yùn)行之間的切換,，特別設(shè)計(jì)了變頻器與工頻電網(wǎng)之間的同步旁路切換功能,，滿足了這類用戶的要求，拓展了變頻器的應(yīng)用領(lǐng)域,。同步旁路切換控制系統(tǒng)如圖3所示,。旁路切換控制系統(tǒng)有兩種型號：單機(jī)旁路和多機(jī)旁路，選用多機(jī)旁路時(shí)最多可控制4臺(tái)電動(dòng)機(jī),。
五,、恒壓供水及水泵群軟起停控制系統(tǒng)
可以說恒壓供水系統(tǒng)是變頻器應(yīng)用最成功的場合,，雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)五花八門,，各有高招，然而卻不盡合理,。
1,、不同供水調(diào)節(jié)方式的經(jīng)濟(jì)性
一般的供水系統(tǒng)，由于供水量及可靠性的要求,，都采用多臺(tái)泵并聯(lián)運(yùn)行的方式,。這樣也有利于當(dāng)供水量在大范圍內(nèi)變化時(shí)，通過水泵的臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,，但是僅用臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié),，不能保證恒壓供水，且其運(yùn)行效率也不高,。水泵采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量,，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性最好。但對于容量較大的供水系統(tǒng),，若采用全容量轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié),，投資太大，也無必要,。所以對于多臺(tái)水泵的供水系統(tǒng),，用一臺(tái)調(diào)速泵即可實(shí)現(xiàn)全容量范圍的恒壓供水,，其它的泵只要定速運(yùn)行。即用臺(tái)數(shù)調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)共同保證供水量變化范圍內(nèi)的恒壓供水,。其經(jīng)濟(jì)性比較如圖4所示,。
系統(tǒng)中的調(diào)速泵一般用變頻器拖動(dòng)。變頻器除了通過調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒壓供水外,，也可通過切換控制用作其它泵的軟起動(dòng)設(shè)備,。但如前面分析的那樣，切換控制是一個(gè)關(guān)鍵,。采用硬切換方式,，若操作不當(dāng)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流,，甚至使變頻軟起動(dòng)功能失去意義，且頻繁的切換操作還可能會(huì)損壞變頻器,。采用同步切換就要增加控制和檢測設(shè)備的投資,，同時(shí)考慮到變頻器過高的使用率，為了保證供水系統(tǒng)的可靠性,，變頻器最好考慮備份,。
2、一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的恒壓供水系統(tǒng)
這里推薦一種既經(jīng)濟(jì)實(shí)用,，又安全可靠的恒壓供水控制系統(tǒng),，即用一臺(tái)變頻器固定拖動(dòng)調(diào)速泵保證恒壓供水，用一臺(tái)軟起動(dòng)器負(fù)責(zé)多臺(tái)定速泵的起?？刂?，整個(gè)供水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制則用一臺(tái)可編程序控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)，其控制系統(tǒng)框圖如圖5所示,。
該方案在大型母管制供水系統(tǒng)中幾乎已成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),。系統(tǒng)中的軟起動(dòng)器指的是電子式晶閘管降壓起動(dòng)器，其原理控制框圖如圖6所示,。它的起動(dòng)性能雖然沒有變頻軟起動(dòng)好,，有較小的沖擊電流存在，但因其投資省,，且可與電網(wǎng)任意切換而不會(huì)造成任何損害,，還可實(shí)現(xiàn)軟停車，消除“水錘效應(yīng)",，因而得到了廣泛的應(yīng)用,。為了減小由軟起動(dòng)器起動(dòng)水泵時(shí)的沖擊電流，可在每臺(tái)水泵的出口處裝設(shè)電動(dòng)閥門,，起動(dòng)前將閥門關(guān)閉,，等電機(jī)起動(dòng)達(dá)到全速后,，再將閥門打開，這些操作都可以交由PLC完成,。
由圖6可見,，通過晶閘管的移相控制作用，使電動(dòng)機(jī)的電壓按一定的規(guī)律升為全壓后,，接通旁路接觸器,，撤去晶閘管的控制信號，關(guān)斷晶閘管,，軟起動(dòng)器即可退出運(yùn)行,。當(dāng)某臺(tái)水泵需要退出系統(tǒng)軟停車時(shí)，可以先將軟起動(dòng)器投入,，使晶閘管全開通,，再將該泵的旁路接觸器跳開，軟起動(dòng)器就可通過控制晶閘管的導(dǎo)通角,，逐漸減小輸出電壓,，進(jìn)行水泵的軟停車。
這樣的恒壓供水系統(tǒng),，既經(jīng)濟(jì)又可靠,。尤其是在城市自來水系統(tǒng)中，因水泵功率大,，多采用高壓電動(dòng)機(jī)拖動(dòng),。由于高壓變頻器的價(jià)格昴貴，故只用變頻器拖動(dòng)一臺(tái)調(diào)速泵運(yùn)行,。軟起動(dòng)器的價(jià)格則僅為變頻器價(jià)格的15％～20％左右,，由它來控制其它泵的起停，這樣由于避免了變頻器的切換操作,，系統(tǒng)可靠性大大提高,。
3、變頻器旁路與軟起動(dòng)器旁路的分析比較
由圖6可見,，軟起動(dòng)器的功率器件—晶閘管的輸入端也是接到電網(wǎng)的,，所以當(dāng)將電動(dòng)機(jī)由軟起動(dòng)器切換到電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)只是將晶閘管短路而已，切換操作對晶閘管絲毫沒有影響,。而變頻器一般采用交一直—交系統(tǒng),，即使將變頻器整個(gè)短路后，變頻器的直流母線還通過整流器由電網(wǎng)供電,，逆變器的功率器件仍然要承受直流高壓,，這時(shí)逆變器的功率器件若導(dǎo)通的話，則會(huì)直接與電網(wǎng)短路而造成損壞,。
另外變頻器的逆變器部分與功率器件反并聯(lián)的快恢復(fù)二極管剛好組成了一個(gè)反向的三相整流橋,，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時(shí),，或者當(dāng)變頻器輸出端直接接到電網(wǎng)時(shí)，則會(huì)通過這個(gè)整流橋使電流流向直流母線,，使直流母線電壓“泵升",，威脅濾波電容器及功率開關(guān)器件的安全。所以在變頻器的輸出端切換電動(dòng)機(jī)時(shí),，一定要慎之又慎,。