变频与工频切换时会遇到哪些问题？

    当变频与工频切换时大多会遇到过这样的情况，电动机由变频运行状态直接向工频切换有时会产生特别大的冲击电流，能达到其直接启动电流的两倍，约为其额定电流的十四五倍，但有的时候却几乎没有电流冲击；而断开变频一段时间后再转向工频时就不会再出现太大的冲击电流，延时的时间越长出现的冲击电流的峰值就会越小。    经分析，三相电动机正常运行时，以同步转速旋转的主磁场在定子三相绕组内感应对称的三相电动势。若断开电源后，主磁场消失，但曾经被主磁场磁化的转子铁芯依然存在剩磁，与此同时由于惯性转子依然高速旋转，在定子线圈产生的感应电动势并不会在极短的时间内消失，只是有所衰减。图3-18是一台37kW电动机两相之间，在断开变频器输出前、后的定子绕组的电压波形，由此可看出，断开电源后定子线圈的感应电动势逐渐衰减的过程。随着转速的降低，转子绕组电压频率也在缓慢下降。    由于变频器输出的是PWM波，其相位不易观察，因为变频器50Hz时的输出电压与工频电压作用在电动机上基本是等效的，不影响分析结果，通过对一台电动机在工频电源下突然断开电源后的电压波形图可以看出，电压波形没有跳变，所以断开瞬间感应电动势与电源电压是同相位的，其幅值也是基本相等的。随着剩磁的慢慢消失，电压幅值逐渐降低，同时伴随着转速的降低感应电动势的频率逐渐下降，其相位也逐渐与电源相位拉开。频率越低，单位时间内拉开的相位差也就越大。    据此，绘出断电后电动机感应电压Ud在极坐标下衰减的向量示意图，如图3-19所示。
    图3-18    定子电压衰减波形
    图3-19    极坐标下的电动机感应电压衰减示意图    由图3-19所示可以看出，瞬间断开电源后，电动机感应电压有所衰减，同时感应电压与工频电源电压的相位已开始拉开，不同时刻投入工频电源，将会产生不同的△U。图3-20是电动机重新投入电源时的等值电路和相量图。
    图3-20    电动机重新投入电源时的等值电路和相量图    图中，U为工频电源电压；Ud为电动机定子线圈的感应电动势；△U为压差，Xs为电源等效电抗，包括线路和前级变压器；Xm为电动机等效电抗；θ为工频电源电压与电动机定子线圈的感应电动势两者之间的夹角。    △U就是系统和电动机共同承受的电压。切换瞬间电动机所承受的电压为Um，Um=△U×Xm／(Xm+Xs)。为设备安全考虑，可把电动机所承受的电压控制在1.2倍电动机的额定电压(UN)    即：    Um=△U×Xm／(Xm+Xs)≤1.2UN    取Xm／(Xm+Xs)=0.9    则     △U≤1.2UN/0.9=1.33UN≈1.33U    如忽略感应电压幅值的变化，则θ应小于83.4°。    变频器输出电压起始相位具有随机性，只是保证了相与相之间的电压相位差为120°。当其输出频率上升到50Hz后，进行变频转工频的切换，如果该时刻变频器的输出正好与工频电源的相位相差180°，切除变频后立即投入工频，△U将达到近两倍的工频电压，远远超过了其允许电压的1. 33倍。△U过大将产生很大的冲击电流，直接作用于切换系统和电动机，这不但导致切换失败，甚至可能导致电动机和切换系统的损坏。假设在切换时刻变频器输出的相位与工频电源是相同的，在图3-21中，以C为圆心，以1. 33U为半径绘出A-B，其右侧为投入工频电源的安全区域。这样就得到C-E、F-G、H点以后三个安全投入工频电源的时间范围。
    图3-21    电动机重新投入电源时的安全区域