交流變頻調(diào)速的切換控制技術(shù)
交流變頻調(diào)速的切換控制技術(shù)
1、“冷”切換
電機(jī)在停止運(yùn)行時(shí),將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源由變頻器切換到主電源,或者由主電源切換到變頻器。這種方式最為簡(jiǎn)單,只要增設(shè)兩個(gè)適當(dāng)容量的斷路器或接觸器即可,,切換過程可以手動(dòng)也可由PLC控制。
2,、異步切換
這種方式一般只用于功率較小的低壓變頻驅(qū)動(dòng),。當(dāng)電機(jī)在變頻器的控制下,轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值,,變頻器輸出電壓的頻率與電網(wǎng)頻率(50Hz)一致時(shí),,將電機(jī)從變頻器驅(qū)動(dòng)切換到主電源驅(qū)動(dòng)。由于電機(jī)容量比電網(wǎng)小很多,,切換過程對(duì)電網(wǎng)影響可忽略,。但是必須防止切換時(shí)電網(wǎng)電壓對(duì)變頻器功率器件的沖擊,以免造成變頻器跳閘或器件損壞。
3,、同步切換
當(dāng)電機(jī)功率較大(一般100KW以上),,尤其是高壓變頻器切換時(shí),切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網(wǎng)一致,,而且兩者的相位也必須相同,。如果相位差較大,會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)和變頻器雙方的沖擊,,不僅達(dá)不到軟起動(dòng)的效果,,還會(huì)影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作并損壞變頻器。最嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為180°時(shí),,電機(jī)的反電勢(shì)將與電網(wǎng)電壓疊加,,造成很大的電壓沖擊和過電流。同步切換技術(shù)對(duì)異步電機(jī)和同步電機(jī)又有所不同,。
本文將結(jié)合作者在變頻調(diào)速項(xiàng)目中的實(shí)踐,,對(duì)不同情況下的切換控制技術(shù)作以具體使用的闡述。
二,、小功率變頻器的異步切換
圖1所示的系統(tǒng)用于新疆某棉花加工廠四臺(tái)風(fēng)機(jī)組成的一個(gè)工序中,,四臺(tái)電機(jī)的功率均為55KW,變頻器(VFD)通過接觸器K11,、k21,、k31,、k41分別控制控制四臺(tái)電機(jī),;同時(shí)接觸器K12、k22,、k32,、k42又分別將電機(jī)連接至主電網(wǎng)(見圖1)。變頻器可以對(duì)四臺(tái)電機(jī)中任一臺(tái)實(shí)行軟起動(dòng),,在起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速后將其切換到主電源,。
圖1 變頻器一控四的異步切換
以電機(jī)M1為例,首先K11閉合,,風(fēng)機(jī)由變頻器恒流起動(dòng),,當(dāng)?shù)竭_(dá)50Hz同步轉(zhuǎn)速后,K11斷開,,K12吸合,,電機(jī)M1轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電。以此類推,。變頻器繼續(xù)起動(dòng)其他電機(jī),。如果某臺(tái)電機(jī)需要調(diào)速,可安排到最后起動(dòng),不再切換至電網(wǎng),,由變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)速,。
本系統(tǒng)的切換中,對(duì)變頻器的保護(hù)是切換控制可靠運(yùn)行的關(guān)鍵,。系統(tǒng)中分別采用了硬件和軟件的雙重保護(hù),。系統(tǒng)采用日本安川公司的變頻器VS616G5,在硬件連鎖中,,充分利用了安川變頻器的多機(jī)能輸入,、輸出接點(diǎn)。起動(dòng)過程中,,首先判別變頻器是否有零功率信號(hào),,以次保證電機(jī)必須由零功率開始升速。為減少電流沖擊,,必須在達(dá)到50Hz時(shí)才可切換至電網(wǎng),。K11斷開時(shí),必須首先保證變頻器沒有輸出,,K11斷開后,,才能閉合K12,K11和K12不可同時(shí)閉合,??刂七^程可用PLC執(zhí)行,通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)軟件連鎖,。
三,、高壓異步電機(jī)變頻起動(dòng)的切換
圖2 高壓異步電機(jī)變頻啟動(dòng)的切換
圖2是ROSS HiLL公司的高壓變頻器用于泰國某大型泵站抽水系統(tǒng)的切換控制線路,兩臺(tái)變頻器(6000V,,1800KW)互為熱備,,對(duì)八臺(tái)水泵電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)和切換控制。由于是高壓大功率電機(jī),,所以變頻器在低速下的起動(dòng)力矩和達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后的工頻同步切換技術(shù)是關(guān)鍵,,ROSS HILL的VFD變頻裝置具有這方面的成熟技術(shù)和線路。具體起動(dòng)和切換過程如下:
1,、選擇用來起動(dòng)的變頻器,,如變頻器VFD1。
2,、選擇應(yīng)起動(dòng)的電機(jī)(如電機(jī)M1),,選擇過程可由工人或自動(dòng)作出,由上位機(jī)將選中信號(hào)發(fā)送至變頻器VFD,。
3,、從VFD1和VFD2種選擇一臺(tái)準(zhǔn)備運(yùn)行(如選擇VFD1),。
4、VFD1閉合其連至V總線的接觸器K01,。
5,、VFD1閉合被選電機(jī)M1的起動(dòng)接觸器K21(此時(shí)主線接觸器K11必須處在常開的位置)。
6,、VFD1開始以低頻(2HZ)低幅值交流電流提供給電機(jī),,由于電機(jī)靜止,相對(duì)于同步轉(zhuǎn)速下的50Hz,,電機(jī)具有普通異步電機(jī)的4%滑差下的特性,。
7、由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流均正比與滑差,,VFD將在預(yù)設(shè)的加速度下增加提供給電機(jī)的起動(dòng)電流,,當(dāng)電機(jī)力矩超過水泵的靜態(tài)阻力矩后,電機(jī)開始旋轉(zhuǎn),。
8,、電機(jī)在VFD的控制下線性加速,直至達(dá)到電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速,、額定電壓和頻率(50Hz),。加速時(shí),電機(jī)的壓頻比V/f=6600/50=132保持不變,。這使電機(jī)保持在規(guī)定的定子磁通密度下運(yùn)行,、避免電機(jī)的電磁飽和,維持超過100%的起動(dòng)力矩,。
9,、當(dāng)電機(jī)頻率和電壓達(dá)到100%額定值后不再改變,此時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩與負(fù)載力矩達(dá)到平衡,,而連接在V總線上的電機(jī)電壓的頻率與電源(L總線)的頻率相等,,但相位不一定相同,,電機(jī)進(jìn)入同步控制階段,。
10、在斷開的接觸器K11兩端的電壓是電機(jī)電壓和主線電壓相位關(guān)系的指示,。當(dāng)電機(jī)電壓與主線電壓同相時(shí),,端電壓取兩者的差值,為最小值,;當(dāng)電機(jī)電壓與主線電壓反相時(shí),,端電壓取兩者之和,為最大值,。電機(jī)電壓相位與主線電壓相位的關(guān)系可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)距的微小變化作瞬間調(diào)整,,前移或后移。電機(jī)轉(zhuǎn)距的瞬時(shí)減小造成電機(jī)速度的減小,因?yàn)榇藭r(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距小于負(fù)載阻力矩,;反之亦然,。
11、在電機(jī)電壓和主線電壓相位相同的瞬間,,主線接觸器K11的端電壓為最小值,,此時(shí)控制該接觸器閉合,然后使起動(dòng)接觸器K21斷開,,于是電機(jī)由VFD驅(qū)動(dòng)變?yōu)橹骶€驅(qū)動(dòng),。
12、VFD1停止輸出,,頻率降到零,,準(zhǔn)備起動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)。
應(yīng)當(dāng)指出,,上述所有過程由VFD在接到上級(jí)機(jī)發(fā)來的電機(jī)起動(dòng)信號(hào)后自動(dòng)進(jìn)行,,起動(dòng)過程中不需人為干預(yù)。
該系統(tǒng)一般只用于電機(jī)的軟起動(dòng),,一般無需用于停止,,停止只要從主線上直接斷開接觸器即可。系統(tǒng)可選擇一臺(tái)電機(jī)作調(diào)速控制,。此時(shí),,該電機(jī)放在最后起動(dòng),并且不再切換到主電源,。
四,、同步電機(jī)變頻系統(tǒng)的起動(dòng)和切換
圖3 同步電機(jī)控制主回路結(jié)構(gòu)圖
圖3所示為寶鋼集團(tuán)上鋼一公司大型燒結(jié)鼓風(fēng)機(jī)上應(yīng)用的同步電機(jī)變頻起動(dòng)系統(tǒng)。同步電機(jī)參數(shù)為6000V,,4000KW,,1000r/min;變頻器選用意大利ANSALDO公司的負(fù)載換向式SILCOVERT S型同步變頻器,。要求電機(jī)由空載起動(dòng)后切換到電網(wǎng),,在電網(wǎng)供電的情況下加載至額定負(fù)載。起動(dòng)過程如下,。
起動(dòng)之前先選擇電機(jī),,假設(shè)現(xiàn)在選擇電機(jī)M1進(jìn)行起動(dòng)。
1,、起動(dòng)開始
變頻器發(fā)出脈沖指令使勵(lì)磁電源接通,,為同步電機(jī)提供空載勵(lì)磁電流,再保持此勵(lì)磁電流不變的情況下,,速度指令從零開始緩慢增加,,電機(jī)開始起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn),。
2、加速運(yùn)行
變頻器保持V/f不變的特性下,,頻率和電壓均呈線性增加,,電機(jī)逐步加速至48Hz。
3,、勵(lì)磁模式切換
當(dāng)頻率達(dá)到48Hz時(shí),,勵(lì)磁電流從恒磁模式切換到電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。即勵(lì)磁電流的給定值將由電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)(如圖4所示),。
圖4 勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制
由于勵(lì)磁電流的變化可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)并使同步電機(jī)矩角特性產(chǎn)生小量變化,。因此,這實(shí)際上就構(gòu)成了電壓反饋的電機(jī)同步跟蹤系統(tǒng),。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)整到穩(wěn)定時(shí),,同步電機(jī)的端電壓和電網(wǎng)電壓之差將以衰減振蕩趨近于零變化。
4,、同步切換
當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器鑒別到電壓誤差小于1%時(shí),,進(jìn)入同步切換控制,此時(shí)變頻器計(jì)算電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的相位差,。一旦相位差為零,,發(fā)出切換信號(hào)。接通K1(或K2),,斷開K3(或K4),。電機(jī)轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電。
起動(dòng)完成后,,變頻器再去起動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)M2,。