關于變頻器的輸出切換問題探討
2013-11-21 8:48:07??????點擊：
關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的情況，試圖從技術和經濟實用的角度出發，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。關鍵詞：變頻器；輸出切換；軟起動；恒壓供水系統
1引言
交流異步電動機直接起動所產生的電流沖擊和轉矩沖擊會給供電系統和拖動系統帶來不利影響，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，過大的轉差率的存在，也不可避免地會出現較大的過電流。對于重載起動的設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，直至達到其額定轉速。變頻軟起動的優點是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產生過電流；并可提供等于額定轉矩的起動力矩，故特別適合于需重載或滿載起動的設備。
如果變頻器僅僅承擔軟起動的任務，不作調速運行的話，則在變頻器帶動電機達到額定轉速后，就要將電動機切換到工頻電網直接供電運行，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就是一個典型的例子。當水壓過高需要停泵時，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。這時就需要將電動機再切換到變頻器拖動，實現減速停車。這樣就不可避免地要進行電網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：一種看法是將變頻器當作一般的交流電源，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行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗，所以有關變頻器在拖動系統應用的文章中，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揭示出來，給人一種功虧一匱的感覺[1]。本文試圖從技術和經濟實用的角度出發，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辦法
3．1由變頻器向電網切換
變頻器拖動電機軟起動，逐漸升速，當變頻器輸出頻率達到50Hz，電壓達到額定電壓，電動機的轉速也已達到額定轉速時，快速將電動機從變頻器切出，再立即投入電網運行。如果開關的速度快，碰巧也許不會出現過大的沖擊電流，電動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，應先封鎖變頻器的輸出。 當電動機斷開電源后，由于定子開路，定子繞組中儲存的磁場能量要經過較長的時間才能衰減完，而轉子是短路的，轉子電流將按一定的時間常數衰減，這個電流產生的磁通，因為轉子還在旋轉，就會在定子繞組中感應出電動勢（反電勢）。感應電勢的頻率和相位是隨著轉子轉速的變化而變化的。當轉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子感應電勢的相位差而產生沖擊電流，若合閘時電源電壓與感應電勢的相位差剛好為180°時，將會產生比起動電流還要大的沖擊電流，這會影響到電網的安全運行及電動機的壽命。因此電動機在斷開電源后，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子堵轉（S=1）所產生的堵轉電流不是一回事，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速，以減小合閘沖擊電流。因此應當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，不可能做到平穩切換。為了減小硬切換時引起的沖擊電流，當變頻器的輸出頻率已經達到50Hz時，可在變頻器及電動機參數許可的范圍內，繼續加速到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，同時轉子電流逐漸衰減，經過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，再將電動機投入電網運行，將會有較小的沖擊電流。當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，在切換前應先封鎖變頻器的輸出。
3．2由電網向變頻器切換
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為調速運行時，可以這樣操作：先將電動機由電網切除，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，利用鎖相環技術，使變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網電壓一致，然后可進行變頻器與電網之間的相互平穩切換。
4.1由變頻器向電網切換
同步切換的過程是這樣的：變頻器拖動電機軟起動，平穩升頻到接近50Hz，進入鎖相環路的捕捉范圍，之后在鎖相環路的作用下，鎖定變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相序和相位與工頻電網一致，將電動機與工頻電網之間的接觸器吸合，電網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，電動機即平穩地切換到電網運行。
由于進行了同步操作，變頻器的輸出參數與電網參數保持一致，在接入電網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同時對電動機供電。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，再進行切換操作。 4.2由電網向變頻器切換
在由電網向變頻器同步切換之前，變頻器先空載加速到50Hz，啟動鎖相環路的跟蹤技術，經過一段時間的跟蹤調整，達到鎖定狀態后變頻器合閘，然后電網開關跳閘，電動機即平穩地由電網切換到變頻器調速運行。
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，以免合閘時造成對變頻器過大的沖擊電流。在過渡到由電網和變頻器同時向電動機供電階段，再稍稍調高變頻器輸出電壓的幅值，逐漸將負荷從電網向變頻器轉移，以免在電網開關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，從而為同步切換創造條件。鎖相環路是一個閉環的相位控制系統，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”。鎖相環路主要由鑒相器（PD）、環路濾波器（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行取樣、隔離和整形處理。鎖相環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，相位差穩定在一個較小的數值時，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、平穩地進行變頻器和工頻電網之間的相互切換了。
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器件—IGCT（集成門極換流晶閘管）設計生產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矩控制（DTC）技術，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電機須進行Y/△改接）
ACS1000變頻器的另一個突出優點是，為了滿足電動機循環軟起動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，拓展了變頻器的應用領域。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：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
可以說恒壓供水系統是變頻器應用最普遍和最成功的場合，雖然系統設計五花八門，各有高招，然而卻不盡合理。
5.1不同供水調節方式的經濟性
一般的供水系統，由于供水量及可靠性的要求，都采用多臺泵并聯運行的方式。這樣也有利于當供水量在大范圍內變化時，通過水泵的臺數調節實現經濟運行，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，也無必要。所以對于多臺水泵的供水系統，用一臺調速泵即可實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。其經濟性比較如圖4所示。
系統中的調速泵一般用變頻器拖動。變頻器除了通過調節水泵轉速實現恒壓供水外，也可通過切換控制用作其它泵的軟起動設備。但如前面分析的那樣，切換控制是一個關鍵。采用硬切換方式，若操作不當，不可避免地會出現較大的沖擊電流，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，為了保證供水系統的可靠性，變頻器最好考慮備份。 5．2一種經濟實用的恒壓供水系統
這里推薦一種既經濟實用，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調速泵保證恒壓供水，用一臺軟起動器負責多臺定速泵的起停控制，整個供水系統的協調控制則用一臺可編程序控制器（PLC）實現，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，且可與電網任意切換而不會造成任何損害，還可實現軟停車，消除“水錘效應”，因而得到了廣泛的應用。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電動閥門，起動前將閥門關閉，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律升為全壓后，接通旁路接觸器，撤去晶閘管的控制信號，關斷晶閘管，軟起動器即可退出運行。當某臺水泵需要退出系統軟停車時，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，既經濟又可靠。尤其是在城市自來水系統中，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的，所以當將電動機由軟起動器切換到電網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，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通的話，則會直接與電網短路而造成損壞。
另外變頻器的逆變器部分與功率器件反并聯的快恢復二極管剛好組成了一個反向的三相整流橋，當電動機運行在發電狀態時，或者當變頻器輸出端直接接到電網時，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進行切換的話，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軟起動是一種危險的誘惑[4]，因為大部分設計采用硬切換方式，稍有操作不當都會產生不良后果，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，否則后果不堪設想。只要真正認識了變頻器拖動系統的客觀規律，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。
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