關(guān)于變頻器的輸出切換問(wèn)題探討
2013-11-21 8:48:07??????點(diǎn)擊：
關(guān)于變頻器的輸出切換問(wèn)題探討
針對目前在變頻器輸出切換問(wèn)題上存在認識誤區的情況，試圖從技術(shù)和經(jīng)濟實(shí)用的角度出發(fā)，對變頻器的輸出切換問(wèn)題進(jìn)行分析探討，以澄清某些錯誤的看法，確立一個(gè)客觀(guān)的認識。同時(shí)提出了一種多泵恒壓供水及水泵群軟起?？刂品桨?。關(guān)鍵詞：變頻器；輸出切換；軟起動(dòng)；恒壓供水系統
1引言
交流異步電動(dòng)機直接起動(dòng)所產(chǎn)生的電流沖擊和轉矩沖擊會(huì )給供電系統和拖動(dòng)系統帶來(lái)不利影響，故對于容量較大的異步電動(dòng)機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)機的起動(dòng)轉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)的設備。即使如此，在降壓起動(dòng)過(guò)程中，由于沒(méi)有改變電源頻率，過(guò)大的轉差率的存在，也不可避免地會(huì )出現較大的過(guò)電流。對于重載起動(dòng)的設備則需要采用變頻軟起動(dòng)方案，即用變頻器帶動(dòng)電機從零速開(kāi)始起動(dòng)，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉速。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(guò)電流；并可提供等于額定轉矩的起動(dòng)力矩，故特別適合于需重載或滿(mǎn)載起動(dòng)的設備。
如果變頻器僅僅承擔軟起動(dòng)的任務(wù)，不作調速運行的話(huà)，則在變頻器帶動(dòng)電機達到額定轉速后，就要將電動(dòng)機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行，變頻器可以再去起動(dòng)其他的電動(dòng)機。母管制多泵恒壓供水系統就是一個(gè)典型的例子。當水壓過(guò)高需要停泵時(shí)，為了避免“水錘效應”，也不允許突然切斷水泵電源，而要求逐漸降低轉速緩慢停車(chē)。這時(shí)就需要將電動(dòng)機再切換到變頻器拖動(dòng)，實(shí)現減速停車(chē)。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(wèn)題，目前尚未得到足夠的重視，因而在認識上還存在著(zhù)一些誤區：一種看法是將變頻器當作一般的交流電源，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計原理，是不允許變頻器在運行中進(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)系統應用的文章中，碰到變頻器的切換問(wèn)題時(shí)，要么有意回避，不作具體描述；要么一語(yǔ)帶過(guò)，用簡(jiǎn)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(wèn)題上進(jìn)行了一些探索[1][2]，但是也沒(méi)有將這個(gè)問(wèn)題的本質(zhì)揭示出來(lái)，給人一種功虧一匱的感覺(jué)[1]。本文試圖從技術(shù)和經(jīng)濟實(shí)用的角度出發(fā)，對變頻器輸出切換問(wèn)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(lèi)
首先對目前工程設計中常用的變頻器的輸出切換方式進(jìn)行大致的分類(lèi)，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(chē)停電時(shí)進(jìn)行切換，等切換完成后再開(kāi)機運行。
熱切換在變頻器運行中進(jìn)行帶電切換，又可分為
硬切換電動(dòng)機在切換時(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，真正的不停電平穩切換。
冷切換是最安全、最簡(jiǎn)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(jìn)辦法
3．1由變頻器向電網(wǎng)切換
變頻器拖動(dòng)電機軟起動(dòng)，逐漸升速，當變頻器輸出頻率達到50Hz，電壓達到額定電壓，電動(dòng)機的轉速也已達到額定轉速時(shí)，快速將電動(dòng)機從變頻器切出，再立即投入電網(wǎng)運行。如果開(kāi)關(guān)的速度快，碰巧也許不會(huì )出現過(guò)大的沖擊電流，電動(dòng)機在承受較小的電流和轉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(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(guò)大的電流電壓沖擊而損壞，故在將電動(dòng)機從變頻器切離之前，應先封鎖變頻器的輸出。 當電動(dòng)機斷開(kāi)電源后，由于定子開(kāi)路，定子繞組中儲存的磁場(chǎng)能量要經(jīng)過(guò)較長(cháng)的時(shí)間才能衰減完，而轉子是短路的，轉子電流將按一定的時(shí)間常數衰減，這個(gè)電流產(chǎn)生的磁通，因為轉子還在旋轉，就會(huì )在定子繞組中感應出電動(dòng)勢（反電勢）。感應電勢的頻率和相位是隨著(zhù)轉子轉速的變化而變化的。當轉子電流尚未衰減到零時(shí)，若合上電源，會(huì )因為電源電壓與定子儲能電勢和轉子感應電勢的相位差而產(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)的安全運行及電動(dòng)機的壽命。因此電動(dòng)機在斷開(kāi)電源后，應該等轉子電流充分衰減后再合上電源。轉子電流衰減的時(shí)間視電動(dòng)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(dòng)機反電勢引起的過(guò)電流與電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)因為轉子堵轉（S=1）所產(chǎn)生的堵轉電流不是一回事，所以在切換時(shí)會(huì )面臨二個(gè)問(wèn)題：一方面要避開(kāi)反電勢引起的沖擊電流，另一方面又要利用電機的轉速，以減小合閘沖擊電流。因此應當選擇一個(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，倒并非要等轉子完全停止后再合閘，因為此時(shí)的電流即為全壓靜止起動(dòng)電流。
由此可見(jiàn)，硬切換一定會(huì )引起沖擊電流，只是其值大小不同罷了，不可能做到平穩切換。為了減小硬切換時(shí)引起的沖擊電流，當變頻器的輸出頻率已經(jīng)達到50Hz時(shí)，可在變頻器及電動(dòng)機參數許可的范圍內，繼續加速到55Hz左右，再將電動(dòng)機從變頻器切出，電動(dòng)機進(jìn)行自由停車(chē)運行，同時(shí)轉子電流逐漸衰減，經(jīng)過(guò)1～2s，轉子電流基本已衰減為零，且轉速也已下降到額定轉速附近時(shí)，再將電動(dòng)機投入電網(wǎng)運行，將會(huì )有較小的沖擊電流。當然為了避免電動(dòng)機從變頻器切出時(shí)變頻器因甩負荷而引起的過(guò)電壓損壞功率器件，在切換前應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(méi)有人敢在變頻器運行中將電動(dòng)機由電網(wǎng)向變頻器切換，因為由以上的分析可知，這無(wú)疑是對變頻器作一次破壞性的試驗，過(guò)大的沖擊電流將使變頻器跳閘或損壞。 如果電動(dòng)機拖動(dòng)的負載不允許突然停車(chē)的話(huà)，或者須由定速運行轉為調速運行時(shí)，可以這樣操作：先將電動(dòng)機由電網(wǎng)切除，自由停車(chē)運行，延時(shí)1～2s，避開(kāi)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(dòng)機轉速并以跟蹤頻率啟動(dòng)運行，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[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)之間的相互平穩切換。
4.1由變頻器向電網(wǎng)切換
同步切換的過(guò)程是這樣的：變頻器拖動(dòng)電機軟起動(dòng)，平穩升頻到接近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)機供電，然后封鎖變頻器的輸出，并將電機從變頻器切出，電動(dòng)機即平穩地切換到電網(wǎng)運行。
由于進(jìn)行了同步操作，變頻器的輸出參數與電網(wǎng)參數保持一致，在接入電網(wǎng)時(shí)對變頻器和電動(dòng)機都不會(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)機供電。為了使變頻器能安全而退，應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(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(dòng)鎖相環(huán)路的跟蹤技術(shù)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的跟蹤調整，達到鎖定狀態(tài)后變頻器合閘，然后電網(wǎng)開(kāi)關(guān)跳閘，電動(dòng)機即平穩地由電網(wǎng)切換到變頻器調速運行。
為了盡量減小切換過(guò)程中對變頻器的沖擊作用，在鎖定狀態(tài)變頻器合閘之前，應稍稍調低變頻器輸出電壓的幅值，以免合閘時(shí)造成對變頻器過(guò)大的沖擊電流。在過(guò)渡到由電網(wǎng)和變頻器同時(shí)向電動(dòng)機供電階段，再稍稍調高變頻器輸出電壓的幅值，逐漸將負荷從電網(wǎng)向變頻器轉移，以免在電網(wǎng)開(kāi)關(guān)跳閘時(shí)對變頻器造成過(guò)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(guò)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，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(chēng)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)機循環(huán)軟起動(dòng)切換控制裝置框圖。用一臺變頻器分時(shí)軟起動(dòng)3臺異步電動(dòng)機，每一臺電動(dòng)機軟起動(dòng)以后，切換到工頻電網(wǎng)定速運行。系統由變頻器、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(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，達到跟蹤工頻電源頻率和相位的目的。當二者的頻率相等，相位差穩定在一個(gè)較小的數值時(shí)，稱(chēng)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(kāi)關(guān)器件—IGCT（集成門(mén)極換流晶閘管）設計生產(chǎn)的三電平新型高效中壓變頻器系列。并采用了先進(jìn)的直接轉矩控制（DTC）技術(shù)，從而獲得了非常出色的轉矩特性和速度響應特性。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(jìn)行Y/△改接）
ACS1000變頻器的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是，為了滿(mǎn)足電動(dòng)機循環(huán)軟起動(dòng)及調速運行和定速運行之間的切換，特別設計了變頻器與工頻電網(wǎng)之間的同步旁路切換功能，滿(mǎn)足了這類(lèi)用戶(hù)的要求，拓展了變頻器的應用領(lǐng)域。同步旁路切換控制系統如圖3所示。旁路切換控制系統有兩種型號：?jiǎn)螜C旁路和多機旁路，選用多機旁路時(shí)最多可控制4臺電動(dòng)機。
5恒壓供水及水泵群軟起?？刂葡到y
可以說(shuō)恒壓供水系統是變頻器應用最普遍和最成功的場(chǎng)合，雖然系統設計五花八門(mén)，各有高招，然而卻不盡合理。
5.1不同供水調節方式的經(jīng)濟性
一般的供水系統，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。這樣也有利于當供水量在大范圍內變化時(shí)，通過(guò)水泵的臺數調節實(shí)現經(jīng)濟運行，但是僅用臺數調節，不能保證恒壓供水，且其運行效率也不高。水泵采用轉速調節流量，運行的經(jīng)濟性最好。但對于容量較大的供水系統，若采用全容量轉速調節，投資太大，也無(wú)必要。所以對于多臺水泵的供水系統，用一臺調速泵即可實(shí)現全容量范圍的恒壓供水，其它的泵只要定速運行。即用臺數調節和轉速調節共同保證供水量變化范圍內的恒壓供水。其經(jīng)濟性比較如圖4所示。
系統中的調速泵一般用變頻器拖動(dòng)。變頻器除了通過(guò)調節水泵轉速實(shí)現恒壓供水外，也可通過(guò)切換控制用作其它泵的軟起動(dòng)設備。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，不可避免地會(huì )出現較大的沖擊電流，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備的投資，同時(shí)考慮到變頻器過(guò)高的使用率，為了保證供水系統的可靠性，變頻器最好考慮備份。 5．2一種經(jīng)濟實(shí)用的恒壓供水系統
這里推薦一種既經(jīng)濟實(shí)用，又安全可靠的恒壓供水控制系統，即用一臺變頻器固定拖動(dòng)調速泵保證恒壓供水，用一臺軟起動(dòng)器負責多臺定速泵的起?？刂?，整個(gè)供水系統的協(xié)調控制則用一臺可編程序控制器（PLC）實(shí)現，其控制系統框圖如圖5所示。
該方案在大型母管制供水系統中幾乎已成為標準設計。系統中的軟起動(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(méi)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)現軟停車(chē)，消除“水錘效應”，因而得到了廣泛的應用。為了減小由軟起動(dòng)器起動(dòng)水泵時(shí)的沖擊電流，可在每臺水泵的出口處裝設電動(dòng)閥門(mén)，起動(dòng)前將閥門(mén)關(guān)閉，等電機起動(dòng)達到全速后，再將閥門(mén)打開(kāi)，這些操作都可以交由PLC完成。 由圖6可見(jiàn)，通過(guò)晶閘管的移相控制作用，使電動(dòng)機的電壓按一定的規律升為全壓后，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)器即可退出運行。當某臺水泵需要退出系統軟停車(chē)時(shí)，可以先將軟起動(dòng)器投入，使晶閘管全開(kāi)通，再將該泵的旁路接觸器跳開(kāi)，軟起動(dòng)器就可通過(guò)控制晶閘管的導通角，逐漸減小輸出電壓，進(jìn)行水泵的軟停車(chē)。
這樣的恒壓供水系統，既經(jīng)濟又可靠。尤其是在城市自來(lái)水系統中，因水泵功率大，多采用高壓電動(dòng)機拖動(dòng)。由于高壓變頻器的價(jià)格昴貴，故只用變頻器拖動(dòng)一臺調速泵運行。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(lái)控制其它泵的起停，這樣由于避免了變頻器的切換操作，系統可靠性大大提高。
5.3變頻器旁路與軟起動(dòng)器旁路的分析比較
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，所以當將電動(dòng)機由軟起動(dòng)器切換到電網(wǎng)運行時(shí)只是將晶閘管短路而已，切換操作對晶閘管絲毫沒(méi)有影響。而變頻器一般采用交一直—交系統，即使將變頻器整個(gè)短路后，變頻器的直流母線(xiàn)還通過(guò)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通的話(huà)，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)的快恢復二極管剛好組成了一個(gè)反向的三相整流橋，當電動(dòng)機運行在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，或者當變頻器輸出端直接接到電網(wǎng)時(shí)，則會(huì )通過(guò)這個(gè)整流橋使電流流向直流母線(xiàn)，使直流母線(xiàn)電壓“泵升”，威脅濾波電容器及功率開(kāi)關(guān)器件的安全。所以在變頻器的輸出端切換電動(dòng)機時(shí)，一定要慎之又慎。
6結語(yǔ)
由以上的分析可見(jiàn)，變頻器一般不允許在運行中進(jìn)行負載切換操作。如果要在變頻器輸出側進(jìn)行切換的話(huà)，應盡量采取冷切換方式：第一步使變頻器停機，第二步在其輸出側進(jìn)行切換，第三步在切換后重新起動(dòng)變頻器。 利用一臺變頻器對多臺電動(dòng)機進(jìn)行循環(huán)軟起動(dòng)是一種危險的誘惑[4]，因為大部分設計采用硬切換方式，稍有操作不當都會(huì )產(chǎn)生不良后果，甚至根本達不到變頻軟起動(dòng)的目的。對于小容量的低壓電機，由于變頻器功率開(kāi)關(guān)器件的過(guò)載容量較大，問(wèn)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，否則后果不堪設想。只要真正認識了變頻器拖動(dòng)系統的客觀(guān)規律，設計好同步切換控制系統，變頻器的輸出切換是完全可行的。
- 上一篇：PLC在小區自動(dòng)供水系統中的應用 2013/11/21
- 下一篇：城市民用變頻器供水設備解決方案 2013/11/20
