1應(yīng)用背景

提出同相位無沖擊的工變頻切換的背景是目前主流變頻器廠商僅有簡(jiǎn)單的不考慮電網(wǎng)相位的工變頻切換方案，其缺點(diǎn)是從變頻控制切換到工頻的瞬間，由于電機(jī)有很強(qiáng)的反電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電網(wǎng)相位和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的相位不一致時(shí)，雖電壓幅值一致，但相位差造成的電壓差最大可接近電網(wǎng)電壓幅值，該電壓差施加在電機(jī)定子繞組上，與工頻直接啟動(dòng)的情形類似，故切換瞬間電流可達(dá)7倍左右。大電流一方面造成低壓斷路器和電網(wǎng)變壓器的容量需要放大，另一方面造成轉(zhuǎn)子的力矩跳動(dòng)，可能影響生產(chǎn)工藝，同時(shí)可能傷害機(jī)械，造成壽命下降。對(duì)于同步電機(jī)，此問題顯得極其嚴(yán)重，原因是同步電機(jī)轉(zhuǎn)子無阻尼，一旦切換瞬間相位不一致造成震蕩，則可能需要很長(zhǎng)時(shí)間甚至無法衰減至穩(wěn)定。

在電機(jī)輸入端串入三相電抗器可以改善非同相切換時(shí)的沖擊，但電抗器在重載的時(shí)候有顯著壓降，造成電機(jī)供電電壓不足，影響電機(jī)效率，同時(shí)又增加了成本和體積。最理想的方案是檢測(cè)電網(wǎng)相位，實(shí)現(xiàn)同相位切換。

2傳統(tǒng)直接切換的方案以及問題

直接切換的方案，如圖1，其控制步驟是：

KM1閉合，KM2閉合，KM3斷開，變頻器運(yùn)行到工頻50Hz

變頻器關(guān)閉輸出，KM2斷開，KM3閉合。

由于電機(jī)在變頻器關(guān)閉輸出后，仍存在很強(qiáng)的反電動(dòng)勢(shì)，其相位與電網(wǎng)的相位具有隨機(jī)性，當(dāng)相位完全一致時(shí)，無任何沖擊，當(dāng)相位差別達(dá)到180°時(shí)，加在電機(jī)繞組的電壓達(dá)到電網(wǎng)電壓的2倍左右，此時(shí)的沖擊電流高達(dá)電機(jī)額定電流的14倍，很可能造成跳閘或損壞傳動(dòng)軸承等。

圖1變頻直接切換至工頻配電原理圖

3帶電抗器緩沖的方案以及問題

帶電抗器緩沖的方案，如圖2，是在直接切換方案基礎(chǔ)上加入電抗器，通過提高線路感抗，以降低在切換瞬間相位不一致時(shí)大電壓差造成的大電流。此方案能顯著降低沖擊電流，但串入的電抗器會(huì)引起較大壓降，因此切換完畢，還需要將電抗器短路，即KM3閉合。

圖2含輸入電抗器的變頻切換至工頻的配電原理圖

4消磁再切換的方案以及局限性

該方案在傳統(tǒng)直接切換的方案上，不增加硬件，僅通過變頻器軟件增加消磁功能實(shí)現(xiàn)。在變頻切換工頻之前，變頻器預(yù)先對(duì)電機(jī)快速消磁，以便于將電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降為零。此方案的優(yōu)點(diǎn)是，切換至工頻的最大電流較原先方案有所下降，但缺點(diǎn)是僅適合異步電機(jī)。對(duì)于同步電機(jī)，其磁場(chǎng)是恒定的，無法通過消磁降低反電動(dòng)勢(shì)，因而該方案不適應(yīng)。

5同相位切換的實(shí)現(xiàn)原理

如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置同相位切換控制功能，要求驅(qū)動(dòng)器安裝電壓檢測(cè)卡，以檢測(cè)三相電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)相位。驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)P48.02設(shè)為1為同相切換激活，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入等待相位同步階段。收到用戶的運(yùn)行指令后電機(jī)開始運(yùn)行，若電機(jī)的實(shí)際頻率與電網(wǎng)頻率接近，則驅(qū)動(dòng)器開始調(diào)整電機(jī)相位直到相位誤差為0，此時(shí)狀態(tài)字的首位P48.00.00變?yōu)?，指示同相切換請(qǐng)求標(biāo)志。控制板的繼電器R2建議用于同相切換控制，需修改其信號(hào)源P14.32為P48.00.00。當(dāng)收到用戶的停機(jī)指令后，驅(qū)動(dòng)器立即復(fù)位同相切換請(qǐng)求標(biāo)志P48.00.00。

對(duì)于重負(fù)載應(yīng)用，在驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉輸出且工頻接觸器尚未合上期間（實(shí)測(cè)大約10到30ms），電機(jī)由于負(fù)載的原因，速度可能跌落并造成相位誤差。通過修整電機(jī)相位加入適當(dāng)?shù)某把a(bǔ)償（參數(shù)P48.03，補(bǔ)償約5°到15°），可以完美解決。

圖3變頻同相位無沖擊切換至工頻的控制電路原理圖

6實(shí)驗(yàn)分析

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)采用國內(nèi)普通同步電機(jī)，額定數(shù)據(jù)為90kw/380V/160A/1500rpm/50Hz，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的信號(hào)分別為ch2（紅）：電機(jī)線電流，ch3（藍(lán)）：電機(jī)的線電壓，ch4（綠）：切換接觸器輔助觸點(diǎn)信號(hào)。

第一階段，電機(jī)處于變頻控制，電流有效值約15A，線電壓為PWM波。第二階段為電機(jī)自由運(yùn)行，電流為零，電壓為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，大約持續(xù)15ms，為接觸器機(jī)械動(dòng)作延時(shí)所致。第三階段，電機(jī)處于工頻狀態(tài)，工頻接觸器閉合，電機(jī)最大電流有效值約25A，約為額定的15%，電機(jī)無任何沖擊。從第二階段到第三階段，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電壓波形完全吻合，即同相位的結(jié)果。

圖4   90kw同步電機(jī)變頻切換至工頻的實(shí)驗(yàn)波形圖

總結(jié)

變頻切換至工頻在節(jié)能應(yīng)用場(chǎng)合有重要意義，實(shí)現(xiàn)最完美的變頻切換至工頻的方案是同相位切換，該方案的特點(diǎn)是平穩(wěn)無沖擊，降低對(duì)配電容量以及低壓電氣容量的要求，提高電機(jī)以及機(jī)械設(shè)備的壽命。

庫馬克ES850系列變頻器在變頻同相位切換至工頻的應(yīng)用具有簡(jiǎn)單低成本以及切換平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)，適用于長(zhǎng)期工作于工頻且要求節(jié)能的場(chǎng)合，如油田、紡織等。