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1 應(yīng)用背景

提出同相位無(wú)沖擊的工變頻切換的背景是目前主流變頻器廠商僅有簡(jiǎn)單的不考慮電網(wǎng)相位的工變頻切換方案，其缺點(diǎn)是從變頻控制切換到工頻的瞬間，由于電機(jī)有很強(qiáng)的反電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)電網(wǎng)相位和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的相位不一致時(shí)，雖電壓幅值一致，但相位差造成的電壓差最大可接近電網(wǎng)電壓幅值，該電壓差施加在電機(jī)定子繞組上，與工頻直接啟動(dòng)的情形類似，故切換瞬間電流可達(dá)7倍左右。大電流一方面造成低壓斷路器和電網(wǎng)變壓器的容量需要放大，另一方面造成轉(zhuǎn)子的力矩跳動(dòng)，可能影響生產(chǎn)工藝，同時(shí)可能傷害機(jī)械，造成壽命下降。對(duì)于同步電機(jī)，此問題顯得極其嚴(yán)重，原因是同步電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)阻尼，一旦切換瞬間相位不一致造成震蕩，則可能需要很長(zhǎng)時(shí)間甚至無(wú)法衰減至穩(wěn)定。

在電機(jī)輸入端串入三相電抗器可以改善非同時(shí)切換時(shí)的沖擊，但電抗器在重載的時(shí)候有顯著壓降，造成電機(jī)供電電壓不足，影響電機(jī)效率，同時(shí)又增加了成本和體積。最理想的方案是檢測(cè)圖1 變頻直接切換至工頻配電原理圖圖2 含輸入電抗器的變頻切換至工頻的配電原理圖圖3 變頻同相位無(wú)沖擊切換至工頻的控制電路原理圖電網(wǎng)相位，實(shí)現(xiàn)同相位切換。

2 傳統(tǒng)直接切換的方案以及問題

直接切換的方案，如圖1，其控制步驟是：

（1）KM1閉合，KM2閉合，KM3斷開，變頻器運(yùn)行到工頻50Hz。

（2）變頻器關(guān)閉輸出，KM2斷開，KM3閉合。

由于電機(jī)在變頻器關(guān)閉輸出后，仍存在很強(qiáng)的反電動(dòng)勢(shì)，其相位與電網(wǎng)的相位具有隨機(jī)性，當(dāng)相位完全一致時(shí)，無(wú)任何沖擊，當(dāng)相位差別達(dá)到180°時(shí)，加在電機(jī)繞組的電壓達(dá)到電網(wǎng)電壓的2倍左右，此時(shí)的沖擊電流高達(dá)電機(jī)額定電流的14倍，很可能造成跳閘或損壞傳動(dòng)軸承等。

3 帶電抗器緩沖的方案以及問題

帶電抗器緩沖的方案，如圖2，是在直接切換方案基礎(chǔ)上加入電抗器，通過提高線路感抗，以降低在切換瞬間相位不一致時(shí)大電壓差造成的大電流。此方案能顯著降低沖擊電流，但串入的電抗器會(huì)引起較大壓降，因此切換完畢，還需要將電抗器短路，即KM3閉合。

圖1 變頻直接切換至工頻配電原理圖

圖2 含輸入電抗器的變頻切換至工頻的配電原理圖

圖3 變頻同相位無(wú)沖擊切換至工頻的控制電路原理圖

圖4 90kw 同步電機(jī)變頻切換至工頻的實(shí)驗(yàn)波形圖

4 消磁再切換的方案以及局限性

該方案在傳統(tǒng)直接切換的方案上，不增加硬件，僅通過變頻器軟件增加消磁功能實(shí)現(xiàn)。在變頻切換工頻之前，變頻器預(yù)先對(duì)電機(jī)快速消磁，以便于將電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降為零。此方案的優(yōu)點(diǎn)是，切換至工頻的最大電流較原先方案有所下降，但缺點(diǎn)是僅適合異步電機(jī)。對(duì)于同步電機(jī)，其磁場(chǎng)是恒定的，無(wú)法通過消磁降低反電動(dòng)勢(shì)，因而該方案不適應(yīng)。

5 同相位切換的實(shí)現(xiàn)原理

如圖3所示，驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置同相位切換控制功能，要求驅(qū)動(dòng)器安裝電壓檢測(cè)卡，以檢測(cè)三相電

網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)相位。驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)P48.02設(shè)為1為同相切換激活，此時(shí)，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入等待相位同步階段。收到用戶的運(yùn)行指令后電機(jī)開始運(yùn)行，若電機(jī)的實(shí)際頻率與電網(wǎng)頻率接近，則驅(qū)動(dòng)器開始調(diào)整電機(jī)相位直到相位誤差為0，此時(shí)狀態(tài)字的首位P48.00.00變?yōu)?，指示同相切換請(qǐng)求標(biāo)志?？刂瓢宓睦^電器R2建議用于同相切換控制，需修改其信號(hào)源P14.32為P48.00.00。當(dāng)收到用戶的停機(jī)指令后，驅(qū)動(dòng)器立即復(fù)位同相切換請(qǐng)求標(biāo)志P48.00.00。對(duì)于重負(fù)載應(yīng)用，在驅(qū)動(dòng)器關(guān)閉輸出且工頻接觸器尚未合上期間（實(shí)測(cè)大約10到30m s），電

機(jī)由于負(fù)載的原因，速度可能跌落并造成相位誤差。通過修整電機(jī)相位加入適當(dāng)?shù)某把a(bǔ)償（參數(shù)P48.03，補(bǔ)償約5°到15°），可以完美解決。

6 實(shí)驗(yàn)分析

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)普通同步電機(jī)，額定數(shù)據(jù)為90kw /380V/160A/1500rpm /50H z，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的信號(hào)分別為ch2（紅）：電機(jī)線電流，ch3（藍(lán)）：電機(jī)的線電壓，ch4（綠）：切換接觸器輔助觸點(diǎn)信號(hào)。第一階段，電機(jī)處于變頻控制，電流有效值約15A，線電壓為PW M 波。第二階段為電機(jī)自由運(yùn)行，電流為零，電壓為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，大約持續(xù)15m s，為接觸器機(jī)械動(dòng)作延時(shí)所致。第三階段，電機(jī)處于工頻狀態(tài)，工頻接觸器閉合，電機(jī)最大電流有效值約25A，約為額定的15% ，電機(jī)無(wú)任何沖擊。從第二階段到第三階段，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電壓波形完全吻合，即同相位的結(jié)果。

7 總結(jié)

變頻切換至工頻在節(jié)能應(yīng)用場(chǎng)合有重要意義，實(shí)現(xiàn)最完美的變頻切換至工頻的方案是同相位切換，該方案的特點(diǎn)是平穩(wěn)無(wú)沖擊，降低對(duì)配電容量以及低壓電氣容量的要求，提高電機(jī)以及機(jī)械設(shè)備的壽命。庫(kù)馬克ES850系列變頻器在變頻同相位切換至工頻的應(yīng)用具有簡(jiǎn)單低成本以及切換平穩(wěn)的優(yōu)勢(shì)，適用于長(zhǎng)期工作于工頻且要求節(jié)能的場(chǎng)合，如油田、紡織等。