变频器变频与工频切换的一般技术方法及存在问

    当变频器出现故障或者因为某些特殊应用时，需要把电动机切换到工频电源运行，如为了减少电机启动电流对电网的冲击和摆脱电网容量对电机启动的制约，有用户提出用变频器启动，升到50Hz后切换至工频，变频器再去启动其他电机。虽然这种切换思想存在争议，但却在一些场合得到了一定的应用，例如一拖多的供水控制系统、拉丝机系统、钻机系统等。为了防止两路电源同时对电动机供电，可通过两个接触器进行电路切换，两个接触器不可同时处于接通状态。为此，两个接触器的控制信号应有一定的互锁时间。    变频运行的电动机切换成工频运行的主电路，如图2-18所示，切换的基本过程只有2个。
    图2-18    切换控制主电路1    ①断开接触器KM2，切断电动机与变频器之间的联系；    ②接通接触器KM3，将电动机投入到工频电源上。    根据上述两个过程的先后顺序的不同，而有两种切换方式，即“先投后切”和“先切后投”。先投后切的切换方式只能用在具有同步切换控制功能的变频器中，这种方法在中、高压变频器中得到了成功的应用。而现在低压变频器普遍采用的是两电平的主回路结构，正是这种主电路结构决定了其不能采用先投后切的控制方式，只能采用先切后投的控制方式。    当变频与工频切换时大多会遇到这样的情况，电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心依然存在剩磁，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2-19是一台37kW电机两相之间，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的下降。    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机上基本是等效的，不影响分析结果，通过对一台电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，绘出断电后电机感应电压Ud在极坐标下衰减的向量示意图，如图2-20所示。
    图2-19    定子电压衰减波形
    图2-20    极坐标下的电机感应电压衰减示意图    由上述图示可以看出，瞬间断开电源后，电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2-21是电机重新投入电源时的等值电路和相量图。
    图2-21    电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)以下。    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2-22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。这样我们就得到C-E、F-G、H点以后三个安全投入工频电源的时间范围。
    图2-22    电机重新投入电源时的安全区域