低壓供水系統變頻與工頻的切換問(wèn)題
2013-5-2 10:00:29??????點(diǎn)擊：
低壓供水系統變頻與工頻的切換問(wèn)題
1 引言
近年來(lái)，關(guān)于變頻與工頻切換的問(wèn)題，頗受到人們的關(guān)注，提出了一些值得討論的問(wèn)題。尤其在恒壓供水系統中，變頻與工頻的切換問(wèn)題，已經(jīng)成為一個(gè) 須解決好的比較急迫的問(wèn)題。
由于在供水系統中，變頻與工頻的切換問(wèn)題具有一，定的特殊性，因此，本文將著(zhù)重就供水系統的切換問(wèn)題進(jìn)行討論。
2 兩種基本的切換方式
變頻運行的電動(dòng)機切換成工頻運行的主電路如圖１所示。切換的基本過(guò)程只有2個(gè):
(1) 斷開(kāi)接觸器ｋｍ２，切斷電動(dòng)機與變頻器之間的聯(lián)系;
(2) 接通接觸器ｋｍ３，將電動(dòng)機投入到工頻電源上。
根據上述兩個(gè)過(guò)程的先后順序的不同，而有兩種切換方式:“先投后切”和“先切后投”。
2.1 先投后切
即首先接通接觸器ｋｍ３，在短時(shí)間內使電動(dòng)機處于工頻電源和變頻電源同時(shí)供電的狀態(tài)。然后再斷開(kāi)ｋｍ２，切斷變頻電源。
這種方法，須解決好同頻同相檢測的問(wèn)題。即在通電瞬間，，須做到:
(1) 變頻器的輸出頻率與工頻 相同;
(2) 變頻器各相相電壓的相位也與工頻電壓的相位相吻合。
這種方法在中、高壓變頻器中得到了成功的應用。
2.2 先切后投
即首先斷開(kāi)接觸器km2，然后再接通ｋｍ３。
在低壓變頻器中，這種方法將是主要的、甚至是唯，一的切換方式。在切換過(guò)程中，須解決好從ｋｍ２斷開(kāi)到ｋｍ３閉合之間的過(guò)渡過(guò)程問(wèn)題，本文將對此進(jìn)行詳細探討。
3 二電平ｐｗｍ變頻器不宜“先投后切”
在供水系統中，低壓(380v)電動(dòng)水泵占有相當大的比重。而迄今為止，絕大多數低壓變頻器都采用交－直－交、二電平的脈寬調制(pwm)方式。這種變頻器在說(shuō)明書(shū)中都明確規定:禁止變頻器的輸出端與電源相接。而“先投后切”則要求將工頻電源與變頻電源作短時(shí)間的并聯(lián)運行，兩者是相悖的。今說(shuō)明其原理如下:
(1) 二電平pwm變頻器的工作特點(diǎn)
交－直－交、二電平的脈寬調制(pwm)方式的基本工作過(guò)程，是逆變橋每個(gè)橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管始終處于交替導通狀態(tài)，且交替的頻率高可達100khz以上，這是低壓變頻器的基本工作方式。
(2) 低壓變頻器的輸出端嚴禁與工頻電源相接
如圖２所示，將接觸器ｋｍ接通，使工頻電源與變頻器的輸出端相接。并假設在ｋｍ接通瞬間，工頻電源處于ｌ１為“＋”、ｌ２為“－”的狀態(tài)，則:
一方面，由于工頻電源的周期長(cháng)達20ms，電壓在70%um(ｕm是電壓的振幅值)以上的時(shí)間也有5ms;
另一方面，6個(gè)逆變管的交替時(shí)間卻是μs級的，以載波頻率為5khz計，則在5ms內，逆變管交替導通的次數可達100次。
今假設:在某一瞬間，v3管導通，則由圖可以看出，由于各逆變管旁邊都反并聯(lián)二極管的緣故，l1與l2之間將被短路，逆變管v3將立即損壞。事實(shí)上，由于逆變管的工作頻率很高，６個(gè)逆變管將全部損壞。
因此，在二電平ｐｗｍ變頻器中是不允許采用“先投后切”這種方法的。
4 電動(dòng)機切斷電源后的過(guò)渡過(guò)程
4.1 切斷電源后的電磁過(guò)渡過(guò)程
(1) 定子繞組的自感電動(dòng)勢立即消失
ｋｍ２斷開(kāi)后，電動(dòng)機定子繞組中的電流及其磁場(chǎng)將立即消失，其能量消耗在ｋｍ２斷開(kāi)瞬間觸點(diǎn)間的電弧上，這是物理學(xué)和電工基礎的常識。因此，定子繞組的自感電動(dòng)勢將隨著(zhù)磁場(chǎng)的消失而消失。
(2) 轉子繞組中存在衰減的直流電流
由于電動(dòng)機的轉子繞組是自成回路的，所以，轉子繞組的自感電動(dòng)勢將阻止電流的消失，從而，轉子繞組中的電流將有一個(gè)逐漸衰減的過(guò)程，它不再交變，其初始值取決于接觸器ｋｍ２斷開(kāi)瞬間的轉子電流值。
與此同時(shí)，轉子電流將產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的直流 磁場(chǎng)。
(3) 電動(dòng)機處于同步發(fā)電機狀態(tài)
轉子是直流磁場(chǎng)，定子是三相繞組，這是同步發(fā)電機的基本組態(tài)。就是說(shuō)，轉子的直流磁場(chǎng)被定子繞組所切割，并在定子繞組中產(chǎn)生感應電動(dòng)勢。
有必，要指出，這和異步電動(dòng)機的再，生狀態(tài)(異步發(fā)電機狀態(tài))是不同的。異步發(fā)電機發(fā)電的充要條件，是定子繞組 須和電源相接，以得到勵磁電流。而在ｋｍ２斷開(kāi)后，定子繞組是開(kāi)路的。
總之，異步電動(dòng)機在切斷電源后，存在著(zhù)一個(gè)處于同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過(guò)渡過(guò)程。
(4) 過(guò)渡過(guò)程中，電動(dòng)勢的初始值
異步電動(dòng)機在正常運行時(shí)，有2個(gè)基本情況:
(a) 根據電動(dòng)勢平衡方程，定子繞組反電動(dòng)勢的有效值是和電源電壓十分接近的;
(b) 根據磁動(dòng)勢平衡原理，轉子電流的磁動(dòng)勢和定子電流的磁動(dòng)勢也是十分接近的。
按照能量不能躍變的原理，在ｋｍ２剛斷開(kāi)的瞬間，轉子電流的磁動(dòng)勢和磁通必將維持原值。所以，定子繞組電動(dòng)勢的初始值e0也必將和電源電壓十分接近。
在電磁過(guò)渡過(guò)程中，定子繞組電動(dòng)勢的衰減方程如下:
(1)式中: e—定子繞組電動(dòng)勢在ｔ秒時(shí)的有效值，ｖ;
ｅ0—定子繞組電動(dòng)勢的初始有效值，ｖ;
τe—切斷電源后的電磁時(shí)間常數，ｓ;
e—自然對數的底數。
定子電動(dòng)勢的衰減曲線(xiàn)如圖３所示。
(5) 電磁過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間常數
準確地計算上述過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間常數τe是十分困難的。我們作了一個(gè)粗略的實(shí)驗:
(a) 將三個(gè)功率相同的燈泡(220v,40w)聯(lián)接成ｙ形后和電動(dòng)機(電動(dòng)機容量為37kw)并聯(lián)，如圖４所示。合上開(kāi)關(guān)ｑ，令變頻器的輸出頻率上升至50hz，使電動(dòng)機在額定轉速下空載運行，同時(shí)，燈泡hl將在額定電壓下正常發(fā)光。
(b) 切斷開(kāi)關(guān)ｑ，同時(shí)接通ｐｌｃ的計時(shí)器。由于電動(dòng)機處于發(fā)電狀態(tài)的原因，燈泡hl將繼續發(fā)光，但必將逐漸變暗，到燈泡ｈｌ 全熄滅時(shí)，令plc停止計時(shí)。由此測出的時(shí)間為(1.77-1.80)s。
又通過(guò)實(shí)驗知，220v，40w的燈泡 全熄滅時(shí)的電壓約為7v?？紤]到電壓越低，衰減越慢。因此推斷，總的過(guò)渡過(guò)程約在2s以上。由于電動(dòng)機在空轉時(shí)慣性很大，2s內的轉速下降十分有限，故可以粗略地認為，上述數據基本上表達了電磁過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間。當然，具體數據將因電動(dòng)機的容量而異，但當在同一個(gè)數量級內。
按過(guò)渡過(guò)程的一般規律，過(guò)渡過(guò)程的總時(shí)間約為時(shí)間常數的3倍。則電磁時(shí)間常數約在0.6s左右:
τe≈0.6s
(6) 電動(dòng)勢在不同時(shí)刻的計算數據
按τe=0.6s計，則由式(1)，定子繞組電動(dòng)勢在不同時(shí)刻的計算數據如表１所示。
表１ 定子繞組電動(dòng)勢在不同時(shí)刻的計算數據
上述數據與實(shí)驗結果基本相符。
4.2 切斷電源后的自由制動(dòng)過(guò)程
所謂自由制動(dòng)過(guò)程，就是在沒(méi)有 制動(dòng)措施的情況下，斷電后拖動(dòng)系統轉速的下降過(guò)程。根據電力拖動(dòng)原理，自由制動(dòng)過(guò)程中，轉速的基本表達式是:
(2)式中: ｎ—ｔ秒時(shí)刻的轉速，rpm;
ｎmn—電動(dòng)機的額定轉速，rpm;
τp—供水拖動(dòng)系統的機械時(shí)間常數，s。
時(shí)間常數τp的大小主要和拖動(dòng)系統的慣性(用飛輪力矩ｇｄ2表達)大小有關(guān)。
供水水泵在切斷電源時(shí)，由于水的位能具有阻止水泵繼續旋轉的作用，如圖5(a)所示。故電動(dòng)泵的慣性將很快被克服，停機十分迅速。據筆者所親歷的情況以及不少讀者和用戶(hù)協(xié)助進(jìn)行測試所得到的數據，則切斷電源后的停機時(shí)間在2.2s以上，較長(cháng)者甚至超過(guò)2min。由此判斷，電動(dòng)機在自由制動(dòng)過(guò)程中時(shí)間常數約在(0.7-1.0)s以上:
τp≥(0.7～1.0)s
其轉速變化曲線(xiàn)如圖5(b)所示。
5 對切換控制的要求
5.1 供水系統運行切換的特點(diǎn)
(1) 變頻器在切換前的工作頻率接近于工頻
在多泵供水系統中，常常采用由一臺變頻器控制多臺水泵的方案。通常稱(chēng)為“1拖ｘ”(由1臺變頻器控制x臺水泵)。
“1拖ｘ”的工作情況是:首先由變頻器控制“1號泵”運行;當用水量增大，變頻器的運行頻率已經(jīng)達到上限頻率(通常等于工頻)時(shí)，如果在確認時(shí)間(通常為2-5min)內，水壓始終低于“目標壓力”時(shí)，則將“１號泵”切換為工頻運行。
同時(shí)，變頻器的輸出頻率迅速降為0hz，并切換至“2號泵”，使“2號泵”變頻起動(dòng)，以此類(lèi)推。
因此，其切換特點(diǎn)是:在切換瞬間，變頻器的輸出頻率基本上，等于工頻。但因為計量上有差異的原因，以及電源頻率也可能有波動(dòng)，因此，絕，對相等是很難出現的。
(2) 切換時(shí)電磁過(guò)渡過(guò)程遠未結束
根據式(2)，計算出供水水泵在不同時(shí)間常數，不同切換時(shí)間的轉速百分數如表2所示。
一般要求:在切換瞬間，電動(dòng)機轉速以不低于額定轉速的８０％為宜。由表２可以看出，滿(mǎn)足此要求的切換時(shí)間，遠小于電動(dòng)機的電磁過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間常數。
所以， 須考慮定子電動(dòng)勢和電源電壓的相位關(guān)系。
5.2 相位關(guān)系對切換電流的影響
(1) 定子電動(dòng)勢e的波形特點(diǎn)
定子電動(dòng)勢的波形與電源電壓波形之間的關(guān)系如圖６所示。
圖中，電動(dòng)勢的波形特點(diǎn)如下:
(a) 因為定子電動(dòng)勢e已經(jīng)有所衰減，所以，電動(dòng)勢的振幅值低于工頻電壓的振幅值;
(b) 因為轉子的轉速也已經(jīng)有所降低，故電動(dòng)勢的周期大于工頻電壓的周期。
(2) 切換時(shí)刻對切換電流的影響
十分明顯，如果在km3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動(dòng)勢同相，如圖6(a)所示，則切換時(shí)將沒(méi)有電流沖擊;反之，如果在km3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動(dòng)勢反相，如圖6(b)所示，則切換時(shí)必將形成很大的沖擊電流。
因此，只有在定子電動(dòng)勢與電源電壓同相的瞬間，才是切換的較好時(shí)刻。所以，切換控制的關(guān)鍵是如何“捕捉”到定子電動(dòng)勢與電源電壓的同相點(diǎn)。
6 “差頻同相”的原理與方法
新疆電子設備廠(chǎng)在開(kāi)發(fā)“ｂｇ-1電動(dòng)機變頻/工頻自動(dòng)轉換監控器”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“自動(dòng)轉換監控器”)時(shí)，提出了“差頻同相”的切換方法，并在進(jìn)行了大量實(shí)驗和測試的基礎上，成功地解決了變頻與工頻的切換問(wèn)題，生產(chǎn)出了專(zhuān)門(mén)用于捕捉較好切換點(diǎn)并執行切換動(dòng)作的設備，可使切換瞬間較大電流的峰值不超過(guò)電動(dòng)機額定電流的2倍(im'≤2im)，取得了令人滿(mǎn)意的結果，并通過(guò)了鑒定。今介紹如下:
6.1 差頻同相的概念和實(shí)現
(1) 差頻同相的概念
要使變頻器的輸出頻率與電源的工頻頻率全相同，是十分困難的。如果在兩者的頻率之間保留一，定差值(δf)的情況下“捕捉”同相點(diǎn)，將使容易得多。
由于是在頻率不相等的情況下"捕捉"同相點(diǎn)，故稱(chēng)為差頻同相。
差頻同相的基本出發(fā)點(diǎn)是:當變頻器的輸出頻率與電源頻率存在差異時(shí)，兩者的同相點(diǎn)之間將不斷地作相對移動(dòng)，如圖８所示。這個(gè)特點(diǎn)，十分有利于“捕捉”到同相點(diǎn)。因此，差頻同相的方法可使捕捉同相點(diǎn)的工作更加簡(jiǎn)單可靠。
(2)差頻同相的實(shí)施
(a)設置“頻段陷阱”圖7表明，變頻器與電源的頻率差越小，則同相點(diǎn)之間作相對移動(dòng)的速度越慢，“捕捉”同相點(diǎn)將越困難。
為此，“自動(dòng)轉換監控器”設置了一個(gè)“頻段陷阱”(50±δf)hz。就是說(shuō)，“自動(dòng)轉換監控器”要求在切換時(shí)，變頻器的輸出頻率與電源頻率之間應該有一個(gè)頻率差δf。這可以通過(guò)預置變頻器的上限頻率來(lái)實(shí)現。例如，變頻器的上限頻率預置為49.6hz，則δf＝0.4hz。
這個(gè)要求和供水系統的工作并不相悖。事實(shí)上，從節能的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，變頻供水時(shí)，工作在50hz是并不可取的。因為，同樣運行在50hz下，變頻運行比工頻運行時(shí)的功耗要大一些。所以，把變頻器的上限頻率預置為49.5hz或稍高一些是較好的選擇。
(b) 切換的工作過(guò)程
當供水系統中變頻器的運行頻率達到上限頻率，并且經(jīng)過(guò)確認時(shí)間，確認需要切換時(shí)，供水系統將向”自動(dòng)轉換監控器”出切換指令?！白詣?dòng)轉換監控器”在得到指令后立即開(kāi)始“捕捉”同相點(diǎn)。
當“捕捉”到同相點(diǎn)時(shí)，便斷開(kāi)ｋｍ２，并在延，時(shí)100ms后，接通ｋｍ３，切換工作即告完成。
(3) 關(guān)于切換時(shí)間(100ms)
(a) 轉速方面
由表２知，當ｋｍ２切斷后100ms的瞬間，電動(dòng)機的轉速在額定轉速的86.7%以上，滿(mǎn)足切換轉速不低于80%ｎmn的要求;
(b) 相位方面
一方面,100ms是電源電壓的５個(gè)整周期;
另一方面,按變頻器的上限頻率為(50-0.5=49.5)hz計，其周期為20.2ms,又按表２中的較壞情況(τp＝0.7s)計算，100ms時(shí)，電動(dòng)機的轉速為上限轉速的86.7%時(shí)，則定子繞組電動(dòng)勢的周期是23.5ms。這里，周期的大小是隨轉速的下降而逐漸增加的。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，取5個(gè)周期的平均值20.86ms，5個(gè)周期的總時(shí)間為104.3ms。
就是說(shuō)，電源電壓與定子電動(dòng)勢之間，在5個(gè)周期內的時(shí)間差為4.3ms。在第5周期的相位差為:
δφ＝ω·δt＝0.43π＝77.4°。
實(shí)際上，在大多數情況下，τp的數值都大于0.7s，δφ的值 要小得多。
為了減小δφ，在“捕捉”到同相點(diǎn)后，可適當增加一個(gè)提前量，如圖８所示。則在切換瞬間(ｋｍ３閉合的瞬間)，將十分接近于同相點(diǎn)。
此外，因為第5個(gè)周期t5與工頻電壓的周期t0之間的差別不大，故當其中一相的相位對齊時(shí)，其他各相的相位差也不會(huì )太大，如圖９所示。
(4) 設置“頻段陷阱”的注意點(diǎn)
(a) 陷阱寬度:陷阱越寬，則同相點(diǎn)的相對移動(dòng)速度越快，捕獲率越大，但在第５周期時(shí)的相位差越大，可能產(chǎn)生較大切換電流的可能性也越大;反之，陷阱越窄，則切換電流越平穩，但由于同相點(diǎn)的相對移動(dòng)速度較慢，捕獲率降低，甚至有可能捕獲不到。實(shí)踐表明，陷阱寬度δf=±0.5ｈｚ是比較適宜的。
(b) 分辨率:如果在陷阱區間內，出現兩個(gè)或多個(gè)相位重合點(diǎn)時(shí)，應能準確地分辯出較好的切換點(diǎn)。
(c) 靈敏度:捕捉同相點(diǎn)時(shí) 須解決好捕捉的靈敏度，就是說(shuō)， 須能夠及時(shí)地捕捉到同相點(diǎn)。
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