變頻器的變頻切換
針對(duì)采用變頻自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，在使用變頻器拖帶慣性負(fù)載運(yùn)行過(guò)程、遇到變頻器由工頻供電切換到變頻供電時(shí)，產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流而損壞變頻器，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作的情況，分析說(shuō)明、并提出應(yīng)對(duì)的解決方法。
1 引言
變頻器、實(shí)際就是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的功率變換器，提供可控的高性能變壓變頻交流電源，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中變頻器應(yīng)用最突出的特點(diǎn)有一臺(tái)變頻器與電動(dòng)機(jī)組、多臺(tái)變頻器與電動(dòng)機(jī)組協(xié)調(diào)運(yùn)行，共同完成一項(xiàng)生產(chǎn)過(guò)程，在控制方式上常用PC、PLC聯(lián)動(dòng)組網(wǎng)等控制方式，有變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)、也有變頻恒壓泵控系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)類控制系統(tǒng)等，本文主要講述變頻器在應(yīng)用運(yùn)行時(shí)要注意的問(wèn)題及解決方法。
2 慣性負(fù)載電流對(duì)變頻器的沖擊
常用由變頻器拖帶的慣性負(fù)載、要通過(guò)工頻供電或變頻器的切換調(diào)壓供電，通常的用電負(fù)載都是電動(dòng)機(jī)。此時(shí)的電動(dòng)機(jī)、在工頻與變頻切換時(shí)、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不要下降太多。所以切換時(shí)間應(yīng)盡量地短；另一方面，還要縮短切換時(shí)間，但在切換瞬間，電磁過(guò)渡過(guò)程遠(yuǎn)未結(jié)束，存在著定子繞組的電動(dòng)勢(shì)與電源電壓疊加的問(wèn)題。即產(chǎn)生大電流的原因十分明顯，如果電動(dòng)機(jī)由原變頻跳變到與工頻電源接通，在切換接通的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動(dòng)勢(shì)同相，如圖1所示，則切換時(shí)將沒(méi)有附加的沖擊電流；反之，如果電動(dòng)機(jī)由原工頻跳變到變頻時(shí)與電源接通，即在切換接通的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動(dòng)勢(shì)反相，如圖2所示，則切換時(shí)必將產(chǎn)生很大的沖擊電流，在最嚴(yán)重的情況下，沖擊電流可接近于直接起動(dòng)電流的2倍。但沖擊電流的大小與變頻器拖帶慣性負(fù)載大小有關(guān)，對(duì)不同負(fù)載、其具體措施也不相同。
2.1 拖帶大慣性負(fù)載時(shí)
大慣性負(fù)載在自由制動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速下降較慢，可達(dá)數(shù)秒或數(shù)十秒。此時(shí)電磁反應(yīng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間很短，只有1s左右。因此，在電動(dòng)機(jī)從變頻電源上斷開(kāi)，到接通工頻電源之間的延時(shí)，只要調(diào)整到大于1s，就可以“躲開(kāi)”電磁過(guò)渡過(guò)程，也就避免了沖擊電流的產(chǎn)生。
2.2 拖帶小慣性負(fù)載時(shí)
如部分風(fēng)機(jī)類和泵控系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，其自由制動(dòng)的過(guò)程與電磁反應(yīng)過(guò)渡過(guò)程十分接近，則切換時(shí)必須進(jìn)行相位搜索，以保證在接通工頻電源的瞬間，工頻電源的電壓與定子電動(dòng)勢(shì)處于同相位狀態(tài)（或接近于同相位狀態(tài)），從而避免沖擊電流。
3 差頻同相的提出依據(jù)
對(duì)于大慣性負(fù)載、其電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行通常由變頻切換在工頻上運(yùn)行，從圖1看出：電磁反應(yīng)過(guò)渡過(guò)程的時(shí)間TF都較易調(diào)整大于時(shí)間TD就可避免了沖擊電流的產(chǎn)生。而風(fēng)機(jī)類和泵控類的小慣性負(fù)載電動(dòng)機(jī)、要避免沖擊電流過(guò)大，就必需將圖2的電源電壓波形與電動(dòng)機(jī)定子繞組電動(dòng)勢(shì)波形調(diào)整到同相位時(shí)進(jìn)行變頻切換到工頻，才能有效防止過(guò)大的沖擊電流。而采用“差頻同相”的切換方法，可使切換瞬間最大電流的峰值不超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電流的2倍（IM′≤2IMIN）。
4 差頻同相的實(shí)施
在變頻器輸出頻率與電源頻率切換時(shí)，利于兩者的同相點(diǎn)之間將不斷地作相對(duì)移動(dòng)、從而“捕捉”到同相點(diǎn)。差頻同相的方法既簡(jiǎn)單又可靠，但也要對(duì)變頻器和慣性負(fù)載的切換響應(yīng)有所考慮。
4.1 上限頻率的合理預(yù)置
因?yàn)樽冾l器的輸出頻率與電源的頻率差△？越小，則同相點(diǎn)之間作相對(duì)移動(dòng)的速度就越慢，“捕捉”同相點(diǎn)就越困難。所以，變頻器的上限頻率預(yù)置應(yīng)小于50Hz的某個(gè)數(shù)值（如49.5Hz）。這個(gè)要求在變頻泵控系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)類控制系統(tǒng)的工作并不相悖。從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，這兩大類控制系統(tǒng)的預(yù)置時(shí)，工作在50Hz是并不可取的。因?yàn)椋瑯舆\(yùn)行在50Hz下，變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行時(shí)的功耗要大一些。所以，把變頻器的上限頻率預(yù)置為49.5Hz或稍高一些是合理的。
4.2 預(yù)置切換的工作過(guò)程
當(dāng)變頻泵控系統(tǒng)或風(fēng)機(jī)類控制系統(tǒng)中變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到上限頻率，并且經(jīng)過(guò)確認(rèn)時(shí)間，確認(rèn)需要切換時(shí)，控制系統(tǒng)通過(guò)控制電路或程序?qū)⑾?ldquo;自動(dòng)轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”發(fā)出切換指令。“自動(dòng)轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”在得到指令后立即開(kāi)始“捕捉”同相點(diǎn)，當(dāng)“捕捉”到同相點(diǎn)時(shí)，切換工作即告完成。
4.3 關(guān)于切換時(shí)間（100ms）的預(yù)置
由上述的分析、并按所提的預(yù)設(shè)方法，當(dāng)變頻器由工頻切換到變頻時(shí)，同相點(diǎn)的跟隨時(shí)間都很快。在拖帶風(fēng)機(jī)類和泵控系統(tǒng)較大慣性負(fù)載時(shí)，其沖擊電流沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大，對(duì)較小慣性負(fù)載時(shí)，其切換跳變非常平穩(wěn)、也沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)大沖擊電流，其峰值電流沒(méi)超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5倍（IM′≤1.5IMIN）。
5 接入限流電抗器
隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，變頻器內(nèi)部的保護(hù)電路、切換預(yù)置等已越來(lái)越完善。如果變頻器本身具有切換功能者，一般都可以實(shí)現(xiàn)從工頻運(yùn)行切換至變頻運(yùn)行，切換時(shí)變頻器將自動(dòng)進(jìn)行頻率搜索。對(duì)變頻器拖帶慣性負(fù)載的應(yīng)用，有內(nèi)預(yù)置也有外置，通過(guò)程序的編寫(xiě)就能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，如采用PLC可編程控制器PID的調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到切換的時(shí)間響應(yīng)，使變頻器在頻率切換時(shí)平穩(wěn)、避免過(guò)大的沖擊電流。但要注意的、當(dāng)自行設(shè)計(jì)切換電路進(jìn)行切換時(shí)，由于無(wú)法起動(dòng)變頻器的“頻率搜索”功能，故切換時(shí)必須有可靠的限流措施，以保護(hù)變頻器。經(jīng)過(guò)多次的試運(yùn)行、建議采用的限流措施便是在變頻器和電動(dòng)機(jī)之間接人輸出電抗器XL，在變頻器頻率切換時(shí)、電路分別接入KM1與KM2，用KM3接入工頻電源，如圖5所示。由于在工頻運(yùn)行時(shí)接人電抗器會(huì)降低功率因數(shù)，故電抗器僅在變頻運(yùn)行時(shí)接人。
6 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)多臺(tái)設(shè)備的改造及實(shí)驗(yàn)調(diào)試，考慮變頻恒壓泵控系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)類控制系統(tǒng)在切換運(yùn)行過(guò)程中，響應(yīng)時(shí)間沒(méi)有太高的要求，切換時(shí)間的預(yù)置都較慢些，系統(tǒng)運(yùn)行相當(dāng)平穩(wěn)，沒(méi)出現(xiàn)太大的沖擊電流。在一些自動(dòng)控制系統(tǒng)拖帶有大小變動(dòng)的慣性負(fù)載、而且要求變頻器切換快速的生產(chǎn)線等設(shè)備，采用上述的方法進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行避免過(guò)大的沖擊電流，有效保護(hù)變頻器由工頻電源切換變頻電源的平穩(wěn)切換過(guò)程，使系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行。
