關(guān)于變頻器的輸出切換問題探討
2013/11/21 8:48:07??????點擊：
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識誤區(qū)的情況，試圖從技術(shù)和經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，對變頻器的輸出切換問題進行分析探討，以澄清某些錯誤的看法，確立一個客觀的認識。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從零速開始起動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉(zhuǎn)速。變頻軟起動的優(yōu)點是由于采用電壓/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)速運行的話，則在變頻器帶動電機達到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行，變頻器可以再去起動其他的電動機。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再切換到變頻器拖動，實現(xiàn)減速停車。這樣就不可避免地要進行電網(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，因而可以將電動機在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認為由于變頻器自身的設(shè)計原理，是不允許變頻器在運行中進行切換的。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)運行”了之[3]。即使有些文章在切換問題上進行了一些探索[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)濟實用的角度出發(fā)，對變頻器輸出切換問題作進一步的分析探討，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)計中常用的變頻器的輸出切換方式進行大致的分類，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行切換，等切換完成后再開機運行。
熱切換在變頻器運行中進行帶電切換，又可分為
硬切換電動機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載；對于需連續(xù)工作的負載，只能采用熱切換的方式。
3硬切換的危害性及改進辦法
3．1由變頻器向電網(wǎng)切換
變頻器拖動電機軟起動，逐漸升速，當(dāng)變頻器輸出頻率達到50Hz，電壓達到額定電壓，電動機的轉(zhuǎn)速也已達到額定轉(zhuǎn)速時，快速將電動機從變頻器切出，再立即投入電網(wǎng)運行。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，電動機在承受較小的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊后正常全速運行。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，否則將會引起嚴重的后果。另外，為了避免變頻器突然甩負荷而使功率器件承受過大的電流電壓沖擊而損壞，故在將電動機從變頻器切離之前，應(yīng)先封鎖變頻器的輸出。 當(dāng)電動機斷開電源后，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，因為轉(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，會因為電源電壓與定子儲能電勢和轉(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)的安全運行及電動機的壽命。因此電動機在斷開電源后，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容量的大小及其所帶負荷的大小而異，一般為1～3s。
由電動機反電勢引起的過電流與電動機起動時因為轉(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，因為此時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)達到50Hz時，可在變頻器及電動機參數(shù)許可的范圍內(nèi)，繼續(xù)加速到55Hz左右，再將電動機從變頻器切出，電動機進行自由停車運行，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，再將電動機投入電網(wǎng)運行，將會有較小的沖擊電流。當(dāng)然為了避免電動機從變頻器切出時變頻器因甩負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行中將電動機由電網(wǎng)向變頻器切換，因為由以上的分析可知，這無疑是對變頻器作一次破壞性的試驗，過大的沖擊電流將使變頻器跳閘或損壞。 如果電動機拖動的負載不允許突然停車的話，或者須由定速運行轉(zhuǎn)為調(diào)速運行時，可以這樣操作：先將電動機由電網(wǎng)切除，自由停車運行，延時1～2s，避開反電勢的影響，在封鎖輸出的情況下將電機接到變頻器，變頻器跟蹤電動機轉(zhuǎn)速并以跟蹤頻率啟動運行，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：變頻器拖動電機軟起動，平穩(wěn)升頻到接近50Hz，進入鎖相環(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供電，然后封鎖變頻器的輸出，并將電機從變頻器切出，電動機即平穩(wěn)地切換到電網(wǎng)運行。
由于進行了同步操作，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，電動機即平穩(wěn)地由電網(wǎng)切換到變頻器調(diào)速運行。
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供電階段，再稍稍調(diào)高變頻器輸出電壓的幅值，逐漸將負荷從電網(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，每一臺電動機軟起動以后，切換到工頻電網(wǎng)定速運行。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)計生產(chǎn)的三電平新型高效中壓變頻器系列。并采用了先進的直接轉(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電機須進行Y/△改接）
ACS1000變頻器的另一個突出優(yōu)點是，為了滿足電動機循環(huán)軟起動及調(diào)速運行和定速運行之間的切換，特別設(shè)計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：單機旁路和多機旁路，選用多機旁路時最多可控制4臺電動機。
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)實現(xiàn)經(jīng)濟運行，但是僅用臺數(shù)調(diào)節(jié)，不能保證恒壓供水，且其運行效率也不高。水泵采用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，運行的經(jīng)濟性最好。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)速泵即可實現(xiàn)全容量范圍的恒壓供水，其它的泵只要定速運行。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)濟實用的恒壓供水系統(tǒng)
這里推薦一種既經(jīng)濟實用，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，用一臺軟起動器負責(zé)多臺定速泵的起?？刂疲麄€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)準設(shè)計。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，等電機起動達到全速后，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，進行水泵的軟停車。
這樣的恒壓供水系統(tǒng)，既經(jīng)濟又可靠。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)將電動機由軟起動器切換到電網(wǎng)運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)電動機運行在發(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行中進行負載切換操作。如果要在變頻器輸出側(cè)進行切換的話，應(yīng)盡量采取冷切換方式：第一步使變頻器停機，第二步在其輸出側(cè)進行切換，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進行循環(huán)軟起動是一種危險的誘惑[4]，因為大部分設(shè)計采用硬切換方式，稍有操作不當(dāng)都會產(chǎn)生不良后果，甚至根本達不到變頻軟起動的目的。對于小容量的低壓電機，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，還能勉強使用，功率越大，危險性也越大。對于大功率的高壓電機一定要采用同步切換方案，否則后果不堪設(shè)想。只要真正認識了變頻器拖動系統(tǒng)的客觀規(guī)律，設(shè)計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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