變頻器的切換分析與同步控制

侍壽永

（1.江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

變頻器的切換分析與同步控制

侍壽永1，2

（1.江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中，變頻器經(jīng)常需要從變頻到工頻的切換，切換時(shí)機(jī)不當(dāng)會產(chǎn)生很大的電流，該電流對變頻器、電動(dòng)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊甚至損壞，并對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。在分析切換所產(chǎn)生沖擊電流的原因和同步切換原理基礎(chǔ)上，提出用同步器實(shí)現(xiàn)同步切換，并用PSCAD／EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件對同步切換進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明：用同步器實(shí)現(xiàn)的同步切換有效地避免了過大的電流沖擊，保證了切換的平穩(wěn)過渡。

變頻器；同步切換；同步器

1 引言

交流異步電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在采用變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中經(jīng)常需要變頻器和工頻電源進(jìn)行切換。切換的主要類型為：故障切換和多機(jī)系統(tǒng)切換。在很多生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)是不允許停止運(yùn)行的，如紡織及化工廠的排風(fēng)機(jī)、鍋爐的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等，在變頻器投入運(yùn)行過程中，一旦變頻器發(fā)生故障而跳閘時(shí)，電動(dòng)機(jī)必須能夠快速地切換到工頻電源上運(yùn)行；如多泵供水系統(tǒng)中，常采用一臺變頻器控制多臺水泵的方案，通常稱為“1拖N”，該系統(tǒng)也需要變頻器到工頻電源的切換。

在切換時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)脫離電源而轉(zhuǎn)子又高速旋轉(zhuǎn)，加之轉(zhuǎn)子中直流磁場的存在，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)，若直接切換到工頻電源，會出現(xiàn)很大的沖擊電流，對電網(wǎng)、變頻器及電動(dòng)機(jī)都會產(chǎn)生不良影響，頻繁切換會出現(xiàn)變頻器炸機(jī)和燒毀電動(dòng)機(jī)等現(xiàn)象的發(fā)生。利用同步切換技術(shù)可避免變頻器切換時(shí)因工頻電源相位與變頻器的輸出電源相位不一致而產(chǎn)生的巨大沖擊電流，從而在很大程度上提高了切換的可靠性，有效地保護(hù)了電動(dòng)機(jī)及變頻器，并避免了對電網(wǎng)的干擾。

2 沖擊電流的產(chǎn)生及影響

2.1 沖擊電流的產(chǎn)生［1］

在變頻器輸出電源的頻率和相位與工頻電源的頻率和相位不一致時(shí)，將異步電動(dòng)機(jī)從變頻器供電切換到工頻電源供電，在此過程中會因定子繞組反電勢和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差過大產(chǎn)生沖擊電流，該沖擊電流可達(dá)額定電流的30倍左右。

1）定子繞組電動(dòng)勢引起的沖擊電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)斷開電源瞬間，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子切割轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生的直流磁場中的磁力線，加之定子繞組為開路，此時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)處于同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的降低，在定子繞組中產(chǎn)生的三相電壓的幅值和頻率也逐漸變小，這時(shí)工頻電壓和定子繞組上產(chǎn)生的電壓兩者間的相位必然不同步，并且會隨著斷電時(shí)間的增加，相位差會不斷變化。在切換時(shí)若兩者處于相同（相位差為0）時(shí)，兩電壓相互抵消，不會產(chǎn)生很大的沖擊電流；若兩者處于反相（相位差為180°）時(shí)，兩電壓將進(jìn)行疊加，這時(shí)會產(chǎn)生很大的沖擊電流，數(shù)值達(dá)到電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)電流的3倍左右。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)斷開電源瞬間，由于定子開路，定子繞組中儲存的磁場能量無釋放回路，在定子繞組中會產(chǎn)生很大的反電勢，若此時(shí)切換到工頻電源上將產(chǎn)生很大的沖擊電流。

2）轉(zhuǎn)差過大引起的沖擊電流。在電動(dòng)機(jī)斷開電源后，因大部分電動(dòng)機(jī)帶有負(fù)載切換，故電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速會快速下降，則轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)差較大，又因電動(dòng)機(jī)定子繞組中剩磁的存在和轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的逐漸衰減的直流磁場，此時(shí)轉(zhuǎn)子繞組切割磁力線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢和電流都較大（u∝di／dt，i∝dv／dt），從而產(chǎn)生沖擊電流。

2.2 沖擊電流的影響

由于定子繞組中的反電勢和電動(dòng)機(jī)處于同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)下產(chǎn)生的電動(dòng)勢及自成回路的轉(zhuǎn)子中自感電動(dòng)勢所產(chǎn)生的沖擊電流，必然對電動(dòng)機(jī)、變頻器及電網(wǎng)等產(chǎn)生影響。

1）對變頻器的影響。變頻器在正常帶載工作時(shí)，變頻器中的功率器件流過的電流通過電動(dòng)機(jī)的繞組流通，其能量及電壓主要消耗在電動(dòng)機(jī)繞組上，不會對其產(chǎn)生不利的影響。一旦變頻器突然甩開負(fù)荷時(shí)，通過功率器件中的電流失去回路，產(chǎn)生極大的di／dt，造成功率器件端電壓的急劇升高，使功率器件承受過大的電流沖擊，會對其造成損害［2］。此沖擊電流還會對變頻器中續(xù)流二極管、濾波電容及變頻器的絕緣造成損害，這勢必大大縮短變頻器的使用壽命［3］。

2）對電動(dòng)機(jī)的影響。電動(dòng)機(jī)軸上所帶負(fù)載不同，影響程度也不同；電動(dòng)機(jī)的容量不同，影響程度亦不同。電動(dòng)機(jī)若帶送、排風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)，因切換時(shí)空氣形成的反壓小，延時(shí)1～3s后避開反電勢的影響而切換到工頻電源，不會受到大電流的沖擊，該沖擊電流電動(dòng)機(jī)完全能承受［4］；電動(dòng)機(jī)若帶泵類負(fù)載，因會出現(xiàn)“水錘”效應(yīng)，加之切換時(shí)的反電勢和高水壓，將使電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)大于額定電流20倍的電流沖擊和巨大的轉(zhuǎn)矩沖擊，引起電動(dòng)機(jī)損壞。若電動(dòng)機(jī)為老式型號，因電動(dòng)機(jī)效率和功率因數(shù)低，銅損和鐵損較大，切換產(chǎn)生的沖擊電流大部分消耗在電動(dòng)機(jī)的損耗上，電動(dòng)機(jī)能承受該沖擊電流；若電動(dòng)機(jī)為新型號，因電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)較高、功耗小、體積小、重量輕，切換時(shí)產(chǎn)生的沖擊大部分變?yōu)檗D(zhuǎn)矩沖擊，因而對電動(dòng)機(jī)損害較大。

3）對電網(wǎng)的影響。若切換時(shí)機(jī)較好，該沖擊電流不會對電網(wǎng)產(chǎn)生太大影響；若切換時(shí)刻選擇不當(dāng)輕則使空氣開關(guān)跳閘，重則對電網(wǎng)產(chǎn)生干擾并引起電網(wǎng)波動(dòng)，對供電系統(tǒng)的安全和產(chǎn)品質(zhì)量會產(chǎn)生不利影響，若大容量電動(dòng)機(jī)影響則更大［5］。

3 同步切換的原理分析［6］

變頻到工頻的切換原理可用三相異步電動(dòng)機(jī)任意一相繞組的相量加以分析，如圖1所示。異步電動(dòng)機(jī)在正常工作時(shí)，主磁通Φm以同步轉(zhuǎn)速n0旋轉(zhuǎn)，在定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

而定子繞組的電勢平衡方程為［7］

從式（2）可以看出，從變頻器中輸出的工頻電壓U1和定子繞組中感應(yīng)電勢E1頻率相同，而幅值不等，相位也不一致，兩者之間存在一個(gè)夾角。

當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到50Hz后，要求進(jìn)行變頻轉(zhuǎn)工頻的切換，假設(shè)與電動(dòng)機(jī)定子繞組相對應(yīng)一相工頻電網(wǎng)電壓中的一相為U2，它與U1存在相位差θ，如圖1所示。切換后，加在電動(dòng)機(jī)繞組上的U2將與電動(dòng)機(jī)定子繞組上感應(yīng)電動(dòng)勢E1進(jìn)行疊加，這時(shí)電動(dòng)機(jī)每相定子繞組上承受的總電壓為U。如果U2與U1的相位差由θ增加到θ′，則電動(dòng)機(jī)每相定子繞組承受的總電壓由U增大到U′。當(dāng)相位差θ增大到與E1同相時(shí)，定子繞組承受的總電壓為兩者之和，此值為最大，這個(gè)電壓已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電動(dòng)機(jī)所能承受的額定電壓，它將引起電動(dòng)機(jī)電流過大、絕緣受損等諸多嚴(yán)重問題。

圖1 電動(dòng)機(jī)變-工頻切換矢量圖Fig.1 Vector diagram of converting and fundamental frequency switching

從圖1中可看出，如果電動(dòng)機(jī)由變頻電源切換到工頻電源的時(shí)機(jī)選擇在U2和-E1同相時(shí)刻，U2和E1相位相反，定子繞組承受的總電壓為兩者之差，此值為最小，此點(diǎn)為最佳切換點(diǎn)。但是由于E1不斷變化，其相位難以檢測，故實(shí)現(xiàn)較為困難。而工業(yè)電網(wǎng)電壓U2的相位則較易檢測，如果把U2與U1同相位點(diǎn)作為切換時(shí)刻，是切換瞬間在定子繞組上產(chǎn)生的電壓也是比較小的。如何檢測U2和U1的相位，并實(shí)現(xiàn)兩者差值較小時(shí)切換則為本文的重點(diǎn)。

4 同步切換的實(shí)現(xiàn)

4.1 鎖相控制［8］

鎖相控制是利用鎖相環(huán)路（PLL）實(shí)現(xiàn)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(dá)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(tǒng)，能夠自動(dòng)地跟蹤輸入信號的頻率和相位。主要有鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蕩器（VCO，這里指變頻器）3個(gè)基本電路組成，其基本組成如圖2所示。

圖2 鎖相環(huán)路的基本組成Fig.2 Structure of phase-locked-loop

鑒相器是一個(gè)相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位θ1（t）與反饋信號相位θ2（t）之間的相位差θe（t）。輸出誤差信號Ud（t）是相位差信號θe（t）的線性函數(shù)，所以鑒相器是一個(gè)比例環(huán)節(jié)。環(huán)路濾波器采用的是無源比例積分濾波器。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí)，輸出頻率（變頻器的輸出頻率）與輸入頻率（工頻電網(wǎng)電源的頻率）相同，兩者之間只有一穩(wěn)態(tài)相差，當(dāng)開環(huán)增益足夠大時(shí)，此相差很小。當(dāng)輸入信號發(fā)生相位或頻率的變化時(shí)，通過環(huán)路自身的調(diào)節(jié)，環(huán)路輸出信號，即變頻器的輸出頻率和相位會跟蹤輸入信號的變化。若輸入信號有如下情況的波動(dòng)時(shí)，也不會產(chǎn)生很大的相位差。

1）輸入信號頻率階躍。當(dāng)輸入信號發(fā)生頻率階躍時(shí)，此時(shí)

其拉氏變換

根據(jù)拉氏變換終值定理：

式中：He（s）為誤差函數(shù)，近似為一階系統(tǒng)。

從式（3）中可以看出，對于工頻電網(wǎng)電源頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)相位誤差Δω／K，當(dāng)K（開環(huán)增益）選取較大時(shí)，產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)相位誤差比較小。

2）輸入信號相位階躍。當(dāng)輸入信號發(fā)生相位階躍時(shí)，此時(shí)

其拉氏變換

根據(jù)拉氏變換終值定理：

從式（4）可以看出，對于工頻電網(wǎng)相位發(fā)生波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)最終能夠跟蹤，不會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)相位差。

4.2 同步切換的實(shí)現(xiàn)

圖3為具有同步切換功能的三相交流異步電動(dòng)機(jī)變頻啟動(dòng)裝置框圖。系統(tǒng)用1臺變頻器實(shí)現(xiàn)各電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障或需要增加電動(dòng)機(jī)運(yùn)行臺數(shù)（即有變頻到工頻的切換）時(shí)，同步器能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平穩(wěn)切換。

圖3 同步切換系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of synchronous-switching system

如上所述在切換瞬間，變頻器的輸出頻率和相位與工頻電壓頻率和相位絕對一致是很難出現(xiàn)的。使用“差頻同相”切換方法的同步器，成功地解決了變頻與工頻的切換問題，并在大量實(shí)驗(yàn)和測試的基礎(chǔ)上得到了驗(yàn)證。

差頻同相是讓變頻器輸出頻率與工頻電源頻率之間存在一個(gè)差值Δf，兩者的同相點(diǎn)之間將不斷作相對運(yùn)動(dòng)，這一特點(diǎn)特別有利于同相點(diǎn)的“捕捉”。Δf越小，同相點(diǎn)之間相對移動(dòng)的速度越慢，同相點(diǎn)的“捕捉”將越困難，為此，同步器設(shè)置了一個(gè)“頻段陷阱”，即變頻器的輸出頻率略低于工頻電源頻率。在工程應(yīng)用中，變頻器工作頻率不宜為50Hz，因?yàn)橥瑯釉?0Hz下，變頻運(yùn)行與工頻運(yùn)行時(shí)的功耗要大一些，所以將變頻器的最大輸出頻率設(shè)置為49.5Hz左右，這正好為“頻段陷阱”提供了條件。實(shí)踐證明：“陷阱寬度”不宜太大或太小，Δf一般取0.5Hz?！跋葳鍖挾取痹O(shè)置越寬，捕獲率越大，產(chǎn)生較大切換電流的可能性也越大；“陷阱寬度”設(shè)置越窄，則切換電流越小，但捕獲率越低［1］。

當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到上限值時(shí)，并且經(jīng)過確認(rèn)時(shí)間，確認(rèn)需要切換時(shí)，控制器向同步器發(fā)生切換指令，同步器在收到指令后立即開始“捕捉”同相點(diǎn)。當(dāng)“捕捉”到同相點(diǎn)時(shí)，封鎖變頻器的輸出，斷開變頻接觸器，延時(shí)最佳時(shí)間100ms后［1］，接通工頻接觸器，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。

5 同步切換的仿真

本文使用PSCAD／EMTDC仿真軟件對圖3所示的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，電動(dòng)機(jī)在同步切換時(shí)定子電流波形如圖4所示。電動(dòng)機(jī)在變頻器輸出上限頻率并經(jīng)確認(rèn)時(shí)間后，在5.4s時(shí)切斷變頻器，在100ms內(nèi)進(jìn)行同相點(diǎn)“捕捉”，5.5s時(shí)切換到工頻電源。

圖4 同步切換時(shí)電動(dòng)機(jī)定子電流i1的波形Fig.4 Stator current curve of synchronous-switching

從圖4中可以看出，采用同步器控制同步切換方式時(shí)有較小的電流沖擊，大約是額定電流的2倍。切換到工頻電源0.2s后，電動(dòng)機(jī)能重新進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)。

6 結(jié)論

變頻器在控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻到工頻切換時(shí)，若切換時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)，切換過程中產(chǎn)生的沖擊電流對電網(wǎng)、變頻器及電動(dòng)機(jī)等設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊。本文提出用同步器實(shí)現(xiàn)變頻到工頻的切換，論述了切換原理及實(shí)現(xiàn)方法，并用仿真軟件對切換過程進(jìn)行仿真。該同步器在某公司的面漆線鼓風(fēng)系統(tǒng)、鍋爐排風(fēng)系統(tǒng)、多泵恒壓供水系統(tǒng)等產(chǎn)品中投入使用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。實(shí)踐表明：用同步器實(shí)現(xiàn)變頻到工頻的切換，切換產(chǎn)生的沖擊電流不大于2倍的IN，有效避免了切換過程過大的電流沖擊，保證了切換過程的平穩(wěn)過渡。

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修改稿日期：2012-02-08

Analysis and Synchronous Control of Switching of Variable Frequency Device

SHI Shou-yong1，2

（1.TheEngineeringTechnologyResearchandDevelopmentCenterofElectronic ProductsEquipmentManufacturingofJiangsuProvince，Huaian223003，Jiangsu，China；2.HuaianCollegeofInformationandTechnology，Huaian223003，JiangsuChina）

In the variable frequency control system，the variable frequency device often needs to switch from the converting to fundamental frequency.If the switching time is improper，then great electric current will emerge.The current will make serious impact on or even cause damage to such equipment as variable frequency device，motor，etc.，and will make serious electromagnetic interference with the power grid.Using synchronizer to realize synchronous-switching as well as using the electro-magnetic transient simulation software named PSCAD／EMTDC to simulate synchronous-switching were suggested on the basis of analyzing the reasons for generating impulse current and the principle of synchronous-switching.The result shows that using synchronizer can avoid great electric current impact effectively and ensure the smooth transition of switching.

variable frequency device；synchronous-switching；synchronizer

TM921.52

A

侍壽永（1975-），男，碩士，Email：shishouyong＠126.com

2011-06-21