變頻－工頻切換過程中沖擊電流產生原因及防范措施

王丁磊，郭濤

（安陽師范學院 計算機與信息工程學院，河南 安陽455002）

1 引言

對于通風機、鼓風機、水泵、油泵等流體類機械，其負載往往是變化的，為保證流體輸出壓力恒定和節能，一般都是通過變頻控制來實現的。而流體類機械設備的工作效率與轉速有關，如果轉速不在最佳范圍內，會導致效率過低。如圖1所示。

圖1 電機－泵系統的最佳工作區Fig.1 The best work area of motor and pump system

而設備的負載往往有一個變化很大的范圍，為使設備工作在較高效率范圍內，實際工作中經常使用多臺小功率泵并聯運行，根據負載的實際情況，采用一臺變頻器拖動多臺電機的控制方案，不但可以滿足負載高峰、低谷、平峰的恒壓輸出要求，并且可以避免選用大功率變頻器及泵機組，從而可以節約投資；同時，在一臺電機或泵損壞后，可以直接將其切除進行維修，不影響其它電機或泵的正常運行。

采用一臺變頻器拖動多臺電機這種控制方案會產生變頻－工頻切換的問題，如果變頻－工頻切換時間設定不當，容易產生諸如電流沖擊、跳閘和電機轉速過渡不平穩等一系列問題。文獻［1］只是對PLC如何通過網絡實現對多變頻器的控制，對單變頻器如何實現多電動機控制沒有提及。文獻［2］只是對硬件部分做了描述，沒有對變頻－工頻切換時間進行說明。文獻［3］只是對變頻器和多電動機的接線和多電動機的轉速匹配進行了討論，沒有提及單變頻器對多電動機的控制。文獻［4］只是列出切換的步驟，并沒有對產生原因做深層次的分析。文獻［5］對軟切換技術進行了理論上的分析，從理論上找到了切換的最佳時間點，但沒有進行工程應用分析。文獻［6］和文獻［7］對轉換的電壓、頻率的變化進行了較為詳細的分析，對產生沖擊的原因也進行了分析，但文中提到的“差頻同相”技術在工程中難以實現。文獻［8］在研究異步電機最小損耗控制算法和流量、水壓與水泵轉速的關系基礎上，建立了基于異步電機效率優化的變頻供水閉環控制系統，但沒有提及變頻和工頻間切換的問題。我們用常見的供水設備（典型的流體類設備）作為研究對象，對其在變頻和工頻的切換過程中電流沖擊產生的原因及防范措施進行分析。

2 變頻和工頻切換的原理

變頻恒壓供水系統的工作原理是根據用戶用水量變化自動調節運行水泵臺數和一臺水泵轉速，使水泵出口壓力保持恒定。變頻恒壓供水系統當用戶用水量小于一臺水泵工頻工作的出水量時，控制系統根據用水量的變化對一臺水泵電機進行變頻調整運行，當用水量增加時管道系統內壓力下降，這時壓力傳感器把檢測到的信號傳送給微機控制單元，通過微機運行判斷，給變頻器發出信號，提高水泵電機轉速，以保證系統壓力不變，反之當用水量減少時，使水泵轉速減慢，以保持恒壓；當用水量大于1臺泵出水時，第1臺泵切換到工頻運行，同時第2臺泵開始變頻調速運行，增加供水量，保證用水壓力恒定；當用水量大于2臺泵出水量時，第3臺泵開始變頻調速運行，保證供水壓力的恒定；最終可能3臺泵全部進入工頻運行，達到最大供水量。反之，當用水量減少時，整個過程和上述情況相反。在整個運行過程中，變頻恒壓供水系統始終保持系統恒壓不變，使水泵始終工作在高效區，既保證用戶恒壓供水，又節省電能。其工作原理如圖2所示。切換過程見表1和表2。

圖2 系統工作原理圖Fig.2 The working principle of system

表1 用水量增加時泵的運行狀態切換表Tab.1 The switch table of pump states when water supply increased

表2 用水量減少時泵的運行狀態切換表Tab.2 The switch table of pump states when water supply decreased

3 電流沖擊產生原因的分析

在切換過程中有如下2個問題需要考慮。

1）從電動機停車所產生的感應電動勢角度來看，我們希望切換時間應盡量延長，這樣可以減小切換時電動機自由停車時產生的感應電動勢和工頻電壓因相位不同而造成的電流沖擊，三相異步電動機斷電的瞬間定子中的電動勢E和電源電動勢非常接近，在電磁過渡過程中定子繞組電動勢的衰減方程為

式中：E為定子繞組電動勢的有效值；Ei為定子繞組電動勢初始有效值；τE為電磁時間常數。

由文獻［9］我們知道，供水設備上采用的電機功率一般在4.0～15kW之間，其電磁時間常數τE在125～532ms之間，利用式（1）可以計算出不同時間常數的電動機在不同時刻的感應電動勢E和初始時刻的電動勢Ei之比（E／Ei），如表3所示。

表3 感應電動勢E和初始時刻的電動勢Ei之比（%）Tab.3 The ratio of induced electromotive force Eand electromotive force Ei

根據實際工作經驗，只要剩余的感應電動勢E和初始時刻的電動勢Ei之比（E／Ei）小于50%，切換過程的電流沖擊就不會太大。定子電動勢的衰減曲線如圖3所示。

圖3 電動機自由停車時產生的感應電動勢Fig.3 The motor′s induced electromotive force when shut down

隨著電動機轉速的下降，感應電動勢的振幅和頻率都在下降，圖3不能表達出頻率的下降，圖4不但可以描述振幅的下降，也能描述頻率的下降。

圖4 感應電動勢振幅和頻率隨時間的變化曲線Fig.4 The change between induced electromotive force and frequency follow the time

2）從電動機即將按照工頻電源進行工作這個角度來看，我們希望切換時間盡量縮短，這樣可以保證工頻電源切入后不會造成過大的啟動電流。自由停車狀態下電動機的轉速變化取決于電動機和水泵構成系統的機械時間常數，其表達式如下：

式中：nt為電動機轉速；nMN為電動機斷電后的初始轉速為機械時間常數。

電動機和水泵組成的系統中，當水泵切斷電源時，由于水的勢能很大，電動機的轉速下降較快，為防止電動機轉速下降過多（一般控制在額定轉速的75%以上［6］），應將切換時間盡量縮短，這樣可以保證工頻電源切入后不會造成過大的啟動電流。根據式（2）可以求得電動機帶負載水泵后不同時刻的轉速占額定轉速的百分比，如表4所示。

表4 不同切換時間電動機轉速的百分數Tab.4 The percent of motor′s rotate speed in different time

上述2個問題是相互矛盾的，如何找到一個合適的切換時機就成為切換過程能否順利進行的關鍵問題。

4 防止切換電流過大的方法

設工頻電源信號為

式中：Ui為工頻信號的幅度，一般可認為是常數；ωi為變頻器輸出信號的頻率，一般可認為是常數；θi（t）為變頻器輸出信號的瞬時相位，一般可認為是常數。

設電動機的感應電動勢：

式中：Uo為電動機的感應電動勢的幅度；ωo（t）為電動機的感應電動勢的頻率；θo（t）為電動機的感應電動勢的瞬時相位。

工頻電源電壓幅值和頻率都不變，初始相位可以認為是個常數，電動機的感應電動勢電壓呈指數衰減，頻率也呈指數衰減，這2個信號先后加在電動機上，這2個信號的幅值和相位差可以表示為

如果假設2個電壓的初始相位相等，就可以認為轉換初期幅值和相位差較小，隨后逐漸加大，最后趨于工頻，過程如圖5所示。

圖5 ΔE隨時間的變化Fig.5 The change ofΔEfollow the time

但上面這個假設是不可控的，2個電壓的初始相位在實際工程中往往是隨機的，如果按照文獻［6］提出的“差頻同相”方案去控制相差在實際工作中不但要增加硬件成本，而且對于ms級的時間而言，無論PLC還是接觸器的執行時間都大于這個ms級，在實際應用中很難實現。通過在實際工作中反復實驗和分析，并對上百臺供水設備的跟蹤調查及故障分析，作者認為：

1）當供水需求確定后，最好選用多臺小功率電機的驅動方案，這樣做的好處是避開了大功率電動機容易出現的電機還沒有完全脫離變頻器（例如電弧還沒有熄滅），工頻過早完成切換，形成工頻短路；這樣做的另外一個好處就是當一臺電機或水泵損壞時，可以直接將其切除后進行維修，不至于影響其它電機或水泵的正常運行；

2）變頻－工頻切換時，出現的變頻器損壞和空氣開關跳閘，往往都是由于變頻器的輸出端與工頻電源短接造成的，只要能保證變頻器的輸出端與工頻不短接，就能保證平穩切換。我們在實際工作中采用的方法是：通過PLC中的軟互鎖和接觸器的電氣互鎖加上機械互鎖等多重互鎖方式保證不會出現短路；

3）切換過程迅速準確，即電機脫離電源慣性運行的時間越短，轉速下降越少，越不存在“沖擊”，最好能在電機的額定轉速下進行切換，為此在實際工作中將切換頻率設定在大于工頻2%～5%的范圍內，即51～52.5Hz范圍內，這樣即使切換過程中轉速略有下降，也能保證在電動機的額定電流下切換；

4）當用水量下降需要工頻切換到變頻運行時，應該使變頻器輸出在低于工頻2%～5%的范圍內，即47.5～49Hz范圍內，這樣可以保證當變頻器切換時沖擊電流最小；

5）電機轉換之初電機內只有弱小的剩磁電勢，其能量較小且衰減很快，在切換后很快就被新切入的電壓所平衡；

6）變頻與工頻的切換用PLC控制切換過程時，通過我們反復實驗最佳的切換時間是：變頻自由停車到切除電機要有0.1s的延時，由電機從變頻切除到工頻接通要有0.2～0.4s的延時，這個時間可以現場根據電動機的機械時間常數進行微調。

5 切換過程實驗及分析

根據以上分析，我們采用以下條件進行切換過程的測試：電機型號 Y132S1－2×3臺；電機5.5 kW×3臺；穩流罐容量100L；設定揚程70m；控制方式為變頻器自由停車；延時時間為變頻器自由停車到切除電機0.1s，電機從變頻切除到工頻接通要有0.32s。

測試過程首先將設備啟動，將出口閥門關閉，模擬用戶用水量為0的情況，等供水壓力達到設定揚程并自動停機進入保壓狀態后進入測試狀態。打開出水閥門，水壓下降，第1臺電機進入變頻工作狀態，模擬小流量供水，實時記錄流量、出水口壓力以及設備電流情況，然后增大出水閥門開度，模擬用戶用水量增加狀態，使第1臺電機切換到工頻工作，繼續增大出水閥門開度，使第2臺電機進入變頻工作，以此類推直到3臺電機全部進入工頻工作達到最大供水流量；然后逐漸減小出水閥門開度直至完全關閉，模擬用戶用水量減少狀態，直至3臺電機全部停車。實驗數據如圖6所示。

圖6 切換過程測試曲線Fig.6 The test curves of switch process

實驗結果分析如下：

1）設備能夠根據用戶用水量的變化自動實現跟蹤設定壓力，壓力波動小于7%，滿足供水質量的要求；

2）電機切換過程平穩，無水錘及噪音等現象出現；

3）無論在用戶用水量增加或者減少過程中，電機切換過程電流變化平穩，沒有發現電流沖擊現象。

6 結論

綜上所述，采用合適的電機變頻－工頻切換時間是保證切換過程平穩進行的關鍵；保持較小的電動機切換前和切換后的轉速差是保證切換過程平穩的重要條件；多重互鎖是保證切換安全的重要保證；通過實驗證明了小容量電機（小于5.5 kW）轉換之初電機內弱小的剩磁電勢能量較小，在切換后很快就被新切入的電源所平衡，在切換過程中不必過多考慮。對于大容量電動機－泵構成的系統，盡量采用用多臺小容量電動機代替大容量電動機以保證切換的平穩性和電機能夠始終工作在最佳效率區。

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