關(guān)于變頻器的輸出切換問題探討
2013/11/21 8:48:07??????點(diǎn)擊：
關(guān)于變頻器的輸出切換問題探討
針對目前在變頻器輸出切換問題上存在認(rèn)識誤區(qū)的情況，試圖從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，對變頻器的輸出切換問題進(jìn)行分析探討，以澄清某些錯誤的看法，確立一個客觀的認(rèn)識。同時提出了一種多泵恒壓供水及水泵群軟起停控制方案。關(guān)鍵詞：變頻器；輸出切換；軟起動；恒壓供水系統(tǒng)
1引言
交流異步電動機(jī)直接起動所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響，故對于容量較大的異步電動機(jī)一般都要采用軟起動方案。常用的方法是降壓起動，但由于電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩與所加電壓的平方成正比，所以降壓起動只適用于空載或輕載起動的設(shè)備。即使如此，在降壓起動過程中，由于沒有改變電源頻率，過大的轉(zhuǎn)差率的存在，也不可避免地會出現(xiàn)較大的過電流。對于重載起動的設(shè)備則需要采用變頻軟起動方案，即用變頻器帶動電機(jī)從零速開始起動，逐漸升壓升速，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。變頻軟起動的優(yōu)點(diǎn)是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產(chǎn)生過電流；并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動力矩，故特別適合于需重載或滿載起動的設(shè)備。
如果變頻器僅僅承擔(dān)軟起動的任務(wù)，不作調(diào)速運(yùn)行的話，則在變頻器帶動電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動機(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其他的電動機(jī)。母管制多泵恒壓供水系統(tǒng)就是一個典型的例子。當(dāng)水壓過高需要停泵時，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。這時就需要將電動機(jī)再切換到變頻器拖動，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，或者象軟起動器一樣，因而可以將電動機(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)變頻器在拖動系統(tǒng)應(yīng)用的文章中，碰到變頻器的切換問題時，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[3]。即使有些文章在切換問題上進(jìn)行了一些探索[1][2]，但是也沒有將這個問題的本質(zhì)揭示出來，給人一種功虧一匱的感覺[1]。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。
2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
變頻器輸出切換硬切換
熱切換
軟切換
冷切換在變頻器停車停電時進(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
硬切換電動機(jī)在切換時要瞬時停電，因而難免會產(chǎn)生沖擊。
軟切換也叫同步切換，真正的不停電平穩(wěn)切換。
冷切換是最安全、最簡單的切換方式，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。
3硬切換的危害性及改進(jìn)辦法
3．1由變頻器向電網(wǎng)切換
變頻器拖動電機(jī)軟起動，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，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，快速將電動機(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，碰巧也許不會出現(xiàn)過大的沖擊電流，電動機(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，故在將電動機(jī)從變頻器切離之前，應(yīng)先封鎖變頻器的輸出。 當(dāng)電動機(jī)斷開電源后，由于定子開路，定子繞組中儲存的磁場能量要經(jīng)過較長的時間才能衰減完，而轉(zhuǎn)子是短路的，轉(zhuǎn)子電流將按一定的時間常數(shù)衰減，這個電流產(chǎn)生的磁通，因?yàn)檗D(zhuǎn)子還在旋轉(zhuǎn)，就會在定子繞組中感應(yīng)出電動勢（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，若合上電源，會因?yàn)殡娫措妷号c定子儲能電勢和轉(zhuǎn)子感應(yīng)電勢的相位差而產(chǎn)生沖擊電流，若合閘時電源電壓與感應(yīng)電勢的相位差剛好為180°時，將會產(chǎn)生比起動電流還要大的沖擊電流，這會影響到電網(wǎng)的安全運(yùn)行及電動機(jī)的壽命。因此電動機(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)子電流衰減的時間視電動機(jī)容量的大小及其所帶負(fù)荷的大小而異，一般為1～3s。
由電動機(jī)反電勢引起的過電流與電動機(jī)起動時因?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，所以在切換時會面臨二個問題：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)選擇一個最為合適的時間重合閘，才能使切換引起的沖擊電流最小，倒并非要等轉(zhuǎn)子完全停止后再合閘，因?yàn)榇藭r的電流即為全壓靜止起動電流。
由此可見，硬切換一定會引起沖擊電流，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，可在變頻器及電動機(jī)參數(shù)許可的范圍內(nèi)，繼續(xù)加速到55Hz左右，再將電動機(jī)從變頻器切出，電動機(jī)進(jìn)行自由停車運(yùn)行，同時轉(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，再將電動機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行，將會有較小的沖擊電流。當(dāng)然為了避免電動機(jī)從變頻器切出時變頻器因甩負(fù)荷而引起的過電壓損壞功率器件，在切換前應(yīng)先封鎖變頻器的輸出。
3．2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。 如果電動機(jī)拖動的負(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，可以這樣操作：先將電動機(jī)由電網(wǎng)切除，自由停車運(yùn)行，延時1～2s，避開反電勢的影響，在封鎖輸出的情況下將電機(jī)接到變頻器，變頻器跟蹤電動機(jī)轉(zhuǎn)速并以跟蹤頻率啟動運(yùn)行，沖擊將會很小。ABB公司的ACS1000型變頻器就有跟蹤起動功能[5]。
4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。
4.1由變頻器向電網(wǎng)切換
同步切換的過程是這樣的：變頻器拖動電機(jī)軟起動，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)和變頻器同時向電動機(jī)供電，然后封鎖變頻器的輸出，并將電機(jī)從變頻器切出，電動機(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)時對變頻器和電動機(jī)都不會有什么影響。然后有一段時間變頻器和電網(wǎng)同時對電動機(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，然后封鎖變頻器的輸出，再進(jìn)行切換操作。 4.2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，啟動鎖相環(huán)路的跟蹤技術(shù)，經(jīng)過一段時間的跟蹤調(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)和變頻器同時向電動機(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)跳閘時對變頻器造成過大的沖擊。
4．3鎖相控制[1]
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)路是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動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機(jī)循環(huán)軟起動切換控制裝置框圖。用一臺變頻器分時軟起動3臺異步電動機(jī)，每一臺電動機(jī)軟起動以后，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。鑒相器比較兩個信號的相位，輸出一個正比于兩個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)定在一個較小的數(shù)值時，稱為鎖定，此時輸出一個切換信號，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。
4.4ABB公司ACS1000中壓變頻器的同步切換控
制功能[5]
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。并采用了先進(jìn)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變頻器的另一個突出優(yōu)點(diǎn)是，為了滿足電動機(jī)循環(huán)軟起動及調(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)旁路時最多可控制4臺電動機(jī)。
5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)用最普遍和最成功的場合，雖然系統(tǒng)設(shè)計(jì)五花八門，各有高招，然而卻不盡合理。
5.1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，通過水泵的臺數(shù)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，但是僅用臺數(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。所以對于多臺水泵的供水系統(tǒng)，用一臺調(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。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設(shè)備。但如前面分析的那樣，切換控制是一個關(guān)鍵。采用硬切換方式，若操作不當(dāng)，不可避免地會出現(xiàn)較大的沖擊電流，甚至使變頻軟起動功能失去意義，且頻繁的切換操作還可能會損壞變頻器。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。 5．2一種經(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)，即用一臺變頻器固定拖動調(diào)速泵保證恒壓供水，用一臺軟起動器負(fù)責(zé)多臺定速泵的起停控制，整個供水系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制則用一臺可編程序控制器（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)中的軟起動器指的是電子式晶閘管降壓起動器，其原理控制框圖如圖6所示。它的起動性能雖然沒有變頻軟起動好，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。為了減小由軟起動器起動水泵時的沖擊電流，可在每臺水泵的出口處裝設(shè)電動閥門，起動前將閥門關(guān)閉，等電機(jī)起動達(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，軟起動器即可退出運(yùn)行。當(dāng)某臺水泵需要退出系統(tǒng)軟停車時，可以先將軟起動器投入，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，多采用高壓電動機(jī)拖動。由于高壓變頻器的價格昴貴，故只用變頻器拖動一臺調(diào)速泵運(yùn)行。軟起動器的價格則僅為變頻器價格的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。
5.3變頻器旁路與軟起動器旁路的分析比較
軟起動器的功率器件—晶閘管的輸入端也是接到電網(wǎng)的，所以當(dāng)將電動機(jī)由軟起動器切換到電網(wǎng)運(yùn)行時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，這時逆變器的功率器件若導(dǎo)通的話，則會直接與電網(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反向的三相整流橋，當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)時，或者當(dāng)變頻器輸出端直接接到電網(wǎng)時，則會通過這個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機(jī)時，一定要慎之又慎。
6結(jié)語
由以上的分析可見，變頻器一般不允許在運(yùn)行中進(jìn)行負(fù)載切換操作。如果要在變頻器輸出側(cè)進(jìn)行切換的話，應(yīng)盡量采取冷切換方式：第一步使變頻器停機(jī)，第二步在其輸出側(cè)進(jìn)行切換，第三步在切換后重新起動變頻器。 利用一臺變頻器對多臺電動機(jī)進(jìn)行循環(huán)軟起動是一種危險的誘惑[4]，因?yàn)榇蟛糠衷O(shè)計(jì)采用硬切換方式，稍有操作不當(dāng)都會產(chǎn)生不良后果，甚至根本達(dá)不到變頻軟起動的目的。對于小容量的低壓電機(jī)，由于變頻器功率開關(guān)器件的過載容量較大，問題還不大突出，還能勉強(qiáng)使用，功率越大，危險性也越大。對于大功率的高壓電機(jī)一定要采用同步切換方案，否則后果不堪設(shè)想。只要真正認(rèn)識了變頻器拖動系統(tǒng)的客觀規(guī)律，設(shè)計(jì)好同步切換控制系統(tǒng)，變頻器的輸出切換是完全可行的。
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