一種簡(jiǎn)單的變頻切換工頻防沖擊電流的方法及其應(yīng)用

張春輝，高彥生

（1.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092；2.中原環(huán)保股份有限公司，河南 鄭州 450009）

0 引言

變頻器以其特有的優(yōu)越性在市政工程中得到了廣泛應(yīng)用。大多數(shù)情況下，某一臺(tái)泵（水泵、風(fēng)機(jī)）變頻無(wú)法達(dá)到工藝要求，需要幾臺(tái)水泵或風(fēng)機(jī)都能實(shí)現(xiàn)變頻運(yùn)行。為了節(jié)省投資，許多業(yè)主都會(huì)選擇一臺(tái)變頻器連接多臺(tái)水泵的方式，即變頻器先帶一臺(tái)工作，當(dāng)水泵達(dá)到全速，仍未達(dá)到工藝需求時(shí)，將該水泵切換到工頻，并啟動(dòng)第二臺(tái)水泵，直至滿足工藝需求。本文從研究電動(dòng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)的工況入手，對(duì)目前采用的同相轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析，提出一種延時(shí)轉(zhuǎn)換加改變整定參數(shù)的解決方案,并在實(shí)踐中得到運(yùn)用。

1 變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)電動(dòng)機(jī)的情況分析

當(dāng)電動(dòng)機(jī)退出變頻電源后，定子開路，其外接端電壓瞬時(shí)變?yōu)榱悖D(zhuǎn)子電流就作為勵(lì)磁電流產(chǎn)生氣隙磁通。由于轉(zhuǎn)子因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的磁通會(huì)在定子繞組中感應(yīng)出電勢(shì)，其時(shí)電機(jī)處于發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)。由于電機(jī)失電降速，其電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)與電源電壓的相位不再同步，此時(shí)合上工頻電源，兩者相位不同，最不利時(shí)甚至相反，便會(huì)從而產(chǎn)生很大的沖擊電流，造成電機(jī)及設(shè)備的損傷。因此，在變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)，應(yīng)采取減小沖擊電流的措施。

2 變頻/工頻的轉(zhuǎn)換方式

2.1 同相轉(zhuǎn)換

由分析可知，如果接上工頻電源時(shí)的電源電壓與電機(jī)感應(yīng)電勢(shì)同相位，則可避免產(chǎn)生較大的沖擊電流，因此，利用“頻率相位檢測(cè)器”實(shí)現(xiàn)同頻同相合閘，是目前流行的變頻轉(zhuǎn)工頻的方法。其“同頻同相檢測(cè)加上同步切換”系統(tǒng)是由“ 采樣—鑒相—變頻器”組成的鎖相閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，在變頻/工頻同頻后，由鑒相器比較出一暫態(tài)相位差信號(hào)，用該信號(hào)反復(fù)來(lái)調(diào)整變頻器的輸出參數(shù)，使變頻/工頻的穩(wěn)態(tài)相位最后趨于一致，然后采用先投后切(又稱“同步切換”)的順序?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)機(jī)變頻與工頻之間的轉(zhuǎn)換[1]。

這種“同頻同相檢測(cè)加上同步切換”的方法也存在一些不足:

（1）變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)采用先投后切的方式，而變頻器的輸出電壓是根據(jù)電動(dòng)機(jī)的額定電壓參數(shù)設(shè)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓過高或過低時(shí)，即便是同頻同相的條件已滿足,但同幅不一定滿足。如果鑒相器不具備鑒幅功能，電網(wǎng)電壓過高時(shí)進(jìn)行變頻/工頻轉(zhuǎn)換，就會(huì)使變頻器損壞；電網(wǎng)電壓過低時(shí)轉(zhuǎn)換，會(huì)使變頻器輸出過流，沖擊供配電系統(tǒng)。

（2）調(diào)頻同相檢測(cè)系統(tǒng)是對(duì)具體的變頻器的硬件進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的，所以廠家生產(chǎn)的同步切換裝置只能與自己生產(chǎn)的變頻器或按自己要求指定生產(chǎn)的變頻器配套使用，即不具有通用性。

（3）價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)性差。

針對(duì)上述的主要不足，近兩年出現(xiàn)了“差頻同相檢測(cè)加上異步切換”系統(tǒng)，它是根據(jù)負(fù)載情況用軟件程序設(shè)計(jì)一個(gè)合適的頻段。該頻段是指偏離工頻的一個(gè)范圍（即“差頻”），在該范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)等待著同相的轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)而進(jìn)行轉(zhuǎn)換。只要設(shè)定好頻段的大小、靈敏度與選擇性3個(gè)技術(shù)參數(shù)，就能指導(dǎo)系統(tǒng)快速、平穩(wěn)地進(jìn)行先切后投（又稱“異步切換”）。

由于是先切后投，因此使用時(shí)不受電網(wǎng)電壓過高或過低的影響。同時(shí)，由于“差頻同相檢測(cè)”采用開環(huán)控制，控制單元與變頻器是非接觸式的(“同頻同相檢測(cè)”是閉環(huán)控制，控制單元與變頻器是接觸式的)，因此具有較大的通用性。但是，由于價(jià)格高，加上參數(shù)設(shè)置需要一定的經(jīng)驗(yàn)，所以實(shí)際使用該裝置的情況不是很多。

2.2 延時(shí)轉(zhuǎn)換

如果在變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)使定子感應(yīng)電勢(shì)大大減少，甚至等于零之后再合閘接上工頻電源，顯然能避免過大的電流沖擊，延時(shí)轉(zhuǎn)換就是根據(jù)這個(gè)理由提出來(lái)的[2]。由電機(jī)學(xué)的知識(shí)可知，三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電勢(shì)：

式中：E1為定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)；W1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kw1為定子繞組系數(shù)；5m為每極氣隙磁通；f1=f2/s定子頻率，f2為轉(zhuǎn)子頻率100%為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，n0為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速，n為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。

在短時(shí)間的轉(zhuǎn)換階段，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與頻率f2變化小，那么f1變化小，在變頻斷電后，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的氣隙磁通:

式中：E1為定子繞組的感應(yīng)電勢(shì)；S=L2/R2為電磁時(shí)間常數(shù)。

由于籠型電機(jī)的轉(zhuǎn)子電感很小，則S很小。由式（2）可知，5m將隨時(shí)間快速衰減；由式（1）可知，E1也迅速減少，一般經(jīng)過3～5S后E1就幾乎等于零。如果此時(shí)再合閘接上工頻電源，不僅沖擊電流不會(huì)過大，而且沖擊時(shí)間極短。

3 實(shí)例應(yīng)用

某污泥項(xiàng)目在最終運(yùn)行調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝慌_(tái)冷卻水泵經(jīng)變頻啟動(dòng)時(shí)一切正常，而在切換第二臺(tái)水泵時(shí)上級(jí)開關(guān)瞬間跳閘。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，業(yè)主為節(jié)省成本將原有一控一的兩臺(tái)水泵改為一控二，控制原理如圖1所示。

圖1 冷卻水泵一空二原理圖

經(jīng)分析，若采用相位分析加切換裝置來(lái)解決問題顯然違背變頻器一控二節(jié)省投資的初衷，故采用延時(shí)轉(zhuǎn)換的方法。

延時(shí)轉(zhuǎn)換的方法關(guān)鍵在于延遲時(shí)間的控制，因?yàn)檠舆t時(shí)間過長(zhǎng)，雖然會(huì)避免較大的沖擊電流，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速降低過多，切換成工頻時(shí)相當(dāng)于電機(jī)變?yōu)橹苯訂?dòng)，變頻器就失去了降低啟動(dòng)電流的功能。

因此，本文提出可將變頻器上級(jí)斷路器短路短延時(shí)調(diào)至一般情況下的1.5倍，同時(shí)利用PLC控制接觸器的投切來(lái)精確控制切換的時(shí)間，可選擇在電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到一半的時(shí)候切換到工頻，這樣既可保證沖擊電流不會(huì)太大，也使變頻器的啟動(dòng)功能得到了一定的發(fā)揮。

4 結(jié)語(yǔ)

采用延時(shí)轉(zhuǎn)換，所用設(shè)備少，經(jīng)濟(jì)性好。本文提出的利用PLC控制延遲時(shí)間并結(jié)合調(diào)整斷路器參數(shù)方法可以在經(jīng)濟(jì)性和功能性之間找到一定的平衡，實(shí)踐證明具有一定的實(shí)用性。