交流變頻調(diào)速的切換控制技術
 

1、“冷”切換

電機在停止運行時，將電機的驅(qū)動電源由變頻器切換到主電源，或者由主電源切換到變頻器。這種方式最為簡單，只要增設兩個適當容量的斷路器或接觸器即可，切換過程可以手動也可由PLC控制。

2、異步切換

這種方式一般只用于功率較小的低壓變頻驅(qū)動。當電機在變頻器的控制下，轉(zhuǎn)速達到額定值，變頻器輸出電壓的頻率與電網(wǎng)頻率（50Hz）一致時，將電機從變頻器驅(qū)動切換到主電源驅(qū)動。由于電機容量比電網(wǎng)小很多，切換過程對電網(wǎng)影響可忽略。但是必須防止切換時電網(wǎng)電壓對變頻器功率器件的沖擊，以免造成變頻器跳閘或器件損壞。

3、同步切換

當電機功率較大（一般100KW以上），尤其是高壓變頻器切換時，切換過程不僅要求變頻器輸出的電壓和頻率與電網(wǎng)一致，而且兩者的相位也必須相同。如果相位差較大，會造成對電網(wǎng)和變頻器雙方的沖擊，不僅達不到軟起動的效果，還會影響電網(wǎng)上其他設備的正常工作并損壞變頻器。最嚴重的情況出現(xiàn)在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為180°時，電機的反電勢將與電網(wǎng)電壓疊加，造成很大的電壓沖擊和過電流。同步切換技術對異步電機和同步電機又有所不同。

本文將結(jié)合作者在變頻調(diào)速項目中的實踐，對不同情況下的切換控制技術作以具體使用的闡述。

二、小功率變頻器的異步切換

圖1所示的系統(tǒng)用于新疆某棉花加工廠四臺風機組成的一個工序中，四臺電機的功率均為55KW，變頻器（VFD）通過接觸器K₁₁、k₂₁、k₃₁、k₄₁分別控制控制四臺電機；同時接觸器K₁₂、k₂₂、k₃₂、k₄₂又分別將電機連接至主電網(wǎng)（見圖1）。變頻器可以對四臺電機中任一臺實行軟起動，在起動到額定轉(zhuǎn)速后將其切換到主電源。

圖1 變頻器一控四的異步切換

以電機M₁為例，首先K₁₁閉合，風機由變頻器恒流起動，當?shù)竭_50Hz同步轉(zhuǎn)速后，K₁₁斷開，K₁₂吸合，電機M₁轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電。以此類推。變頻器繼續(xù)起動其他電機。如果某臺電機需要調(diào)速，可安排到最后起動，不再切換至電網(wǎng)，由變頻器驅(qū)動調(diào)速。

本系統(tǒng)的切換中，對變頻器的保護是切換控制可靠運行的關鍵。系統(tǒng)中分別采用了硬件和軟件的雙重保護。系統(tǒng)采用日本安川公司的變頻器VS616G5，在硬件連鎖中，充分利用了安川變頻器的多機能輸入、輸出接點。起動過程中，首先判別變頻器是否有零功率信號，以次保證電機必須由零功率開始升速。為減少電流沖擊，必須在達到50Hz時才可切換至電網(wǎng)。K₁₁斷開時，必須首先保證變頻器沒有輸出，K₁₁斷開后，才能閉合K₁₂，K₁₁和K₁₂不可同時閉合?？刂七^程可用PLC執(zhí)行，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)軟件連鎖。

三、高壓異步電機變頻起動的切換

圖2 高壓異步電機變頻啟動的切換

圖2是ROSS HiLL公司的高壓變頻器用于泰國某大型泵站抽水系統(tǒng)的切換控制線路，兩臺變頻器（6000V，1800KW）互為熱備，對八臺水泵電機進行起動和切換控制。由于是高壓大功率電機，所以變頻器在低速下的起動力矩和達到額定轉(zhuǎn)速后的工頻同步切換技術是關鍵，ROSS HILL的VFD變頻裝置具有這方面的成熟技術和線路。具體起動和切換過程如下：

1、選擇用來起動的變頻器，如變頻器VFD₁。

2、選擇應起動的電機（如電機M₁），選擇過程可由工人或自動作出，由上位機將選中信號發(fā)送至變頻器VFD。

3、從VFD₁和VFD₂種選擇一臺準備運行（如選擇VFD₁）。

4、VFD₁閉合其連至V總線的接觸器K₀₁。

5、VFD₁閉合被選電機M₁的起動接觸器K₂₁（此時主線接觸器K₁₁必須處在常開的位置）。

6、VFD1開始以低頻（2HZ）低幅值交流電流提供給電機，由于電機靜止，相對于同步轉(zhuǎn)速下的50Hz，電機具有普通異步電機的4%滑差下的特性。

7、由于異步電機的轉(zhuǎn)矩和電流均正比與滑差，VFD將在預設的加速度下增加提供給電機的起動電流，當電機力矩超過水泵的靜態(tài)阻力矩后，電機開始旋轉(zhuǎn)。

8、電機在VFD的控制下線性加速，直至達到電機的額定轉(zhuǎn)速、額定電壓和頻率（50Hz）。加速時，電機的壓頻比V/f=6600/50=132保持不變。這使電機保持在規(guī)定的定子磁通密度下運行、避免電機的電磁飽和，維持超過100%的起動力矩。

9、當電機頻率和電壓達到100%額定值后不再改變，此時電機的驅(qū)動力矩與負載力矩達到平衡，而連接在V總線上的電機電壓的頻率與電源（L總線）的頻率相等，但相位不一定相同，電機進入同步控制階段。

10、在斷開的接觸器K₁₁兩端的電壓是電機電壓和主線電壓相位關系的指示。當電機電壓與主線電壓同相時，端電壓取兩者的差值，為最小值；當電機電壓與主線電壓反相時，端電壓取兩者之和，為最大值。電機電壓相位與主線電壓相位的關系可以通過電機轉(zhuǎn)距的微小變化作瞬間調(diào)整，前移或后移。電機轉(zhuǎn)距的瞬時減小造成電機速度的減小，因為此時電機驅(qū)動轉(zhuǎn)距小于負載阻力矩；反之亦然。

11、在電機電壓和主線電壓相位相同的瞬間，主線接觸器K₁₁的端電壓為最小值，此時控制該接觸器閉合，然后使起動接觸器K₂₁斷開，于是電機由VFD驅(qū)動變?yōu)橹骶€驅(qū)動。

12、VFD₁停止輸出，頻率降到零，準備起動下一臺電機。

應當指出，上述所有過程由VFD在接到上級機發(fā)來的電機起動信號后自動進行，起動過程中不需人為干預。

該系統(tǒng)一般只用于電機的軟起動，一般無需用于停止，停止只要從主線上直接斷開接觸器即可。系統(tǒng)可選擇一臺電機作調(diào)速控制。此時，該電機放在最后起動，并且不再切換到主電源。

四、同步電機變頻系統(tǒng)的起動和切換

圖3 同步電機控制主回路結(jié)構圖

圖3所示為寶鋼集團上鋼一公司大型燒結(jié)鼓風機上應用的同步電機變頻起動系統(tǒng)。同步電機參數(shù)為6000V，4000KW，1000r/min；變頻器選用意大利ANSALDO公司的負載換向式SILCOVERT S型同步變頻器。要求電機由空載起動后切換到電網(wǎng)，在電網(wǎng)供電的情況下加載至額定負載。起動過程如下。

起動之前先選擇電機，假設現(xiàn)在選擇電機M₁進行起動。

1、起動開始

變頻器發(fā)出脈沖指令使勵磁電源接通，為同步電機提供空載勵磁電流，再保持此勵磁電流不變的情況下，速度指令從零開始緩慢增加，電機開始起動運轉(zhuǎn)。

2、加速運行

變頻器保持V/f不變的特性下，頻率和電壓均呈線性增加，電機逐步加速至48Hz。

3、勵磁模式切換

當頻率達到48Hz時，勵磁電流從恒磁模式切換到電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。即勵磁電流的給定值將由電機電壓與電網(wǎng)電壓的誤差進行調(diào)節(jié)（如圖4所示）。

圖4 勵磁電流的閉環(huán)控制

由于勵磁電流的變化可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)并使同步電機矩角特性產(chǎn)生小量變化。因此，這實際上就構成了電壓反饋的電機同步跟蹤系統(tǒng)。當系統(tǒng)調(diào)整到穩(wěn)定時，同步電機的端電壓和電網(wǎng)電壓之差將以衰減振蕩趨近于零變化。

4、同步切換

當勵磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器鑒別到電壓誤差小于1%時，進入同步切換控制，此時變頻器計算電機電壓與電網(wǎng)電壓的相位差。一旦相位差為零，發(fā)出切換信號。接通K₁（或K₂），斷開K₃（或K₄）。電機轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電。

起動完成后，變頻器再去起動另一臺電機M₂。