交流異步電動(dòng)機變頻-工頻切換的探討

切換過(guò)程如下：

1)斷開(kāi)接觸器KM2，切斷電動(dòng)機與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM4，為電動(dòng)機感應電動(dòng)勢提供釋放通路;

3)斷開(kāi)接觸器KM4;

4)接通接觸器KM3，將電動(dòng)機投入到工頻電源上。

圖9 是接觸器KM4 作用之后對電動(dòng)勢影響的對比圖。由圖9可以看出，KM4提供通路的作用時(shí)間約為300 ms，與一般狀態(tài)同一時(shí)刻的感應電動(dòng)勢幅值相比小了很多。適當控制KM4的作用時(shí)間，讓其幅值減小到額定電壓的1/3 以下就可以了。這樣，即使由變頻切換至工頻電源時(shí)感應電動(dòng)勢與工頻電源的相位相差180毅，吟U 也不會(huì )超出其許可的安全范圍了。

此方法簡(jiǎn)單易行，安全可靠，成本增加較小，但仍存在不小的電流沖擊。通過(guò)試驗和現場(chǎng)測試，在KM4 的作用過(guò)程中，會(huì )加快電機的轉速下降，KM4 的作用對電機轉速的影響比對感應電動(dòng)勢幅值的影響要明顯得多。所以此種切換方法的沖擊

電流約為額定電流的3~5倍。

3.2 在回路中串入電抗

在回路中串入電抗器的電路如圖10 所示。

切換過(guò)程如下：

1)斷開(kāi)接觸器KM2，切斷電動(dòng)機與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM4，在電源與電機間串入L;

3)接通接觸器KM3，將L 短路掉，將電動(dòng)機投入到工頻電源上;

4)斷開(kāi)接觸器KM4，完成切換。

通過(guò)合理設計參數L，就可以將電機分擔的電壓控制在允許范圍之內，順利完成切換。

此切換方法控制簡(jiǎn)單，較為安全。但電抗器體積龐大，成本增加較多。沖擊電流峰值較大，但持續時(shí)間短。通過(guò)試驗和現場(chǎng)測試，此種切換方法的沖擊電流峰值約為額定電流的4~5.5倍。

3.3 相位檢測

該方法應首先保證在KM2斷開(kāi)時(shí)刻，變頻器的輸出與工頻電源是同相位的。圖7 中C-E 時(shí)間的長(cháng)短取決于感應電動(dòng)勢頻率的變化，而感應電動(dòng)勢的頻率是由電機的轉速決定的。斷電后電機及其拖動(dòng)系統處于自由制動(dòng)過(guò)程。根據電力拖動(dòng)原理，在自由制動(dòng)過(guò)程中，轉速的基本表達式是

按照過(guò)渡過(guò)程的一般規律，拖動(dòng)系統的機械時(shí)間常數tp約為系統自由停機時(shí)間的1/3。各種系統自由停機的時(shí)間是不同的，有的為十幾s 的時(shí)間，而有的就長(cháng)達十幾min 甚至幾十min。在停機時(shí)間較長(cháng)的系統中，在同相位時(shí)，可以比較容易的在C-E時(shí)間段內完成斷開(kāi)KM2接通KM3的過(guò)程，接觸器KM2、KM3的動(dòng)作時(shí)間可以忽略。但在停機較快的系統中，必須考慮接觸器的動(dòng)作時(shí)間。接觸器的動(dòng)作時(shí)間往往決定著(zhù)切換控制的成敗。

因感應電動(dòng)勢的頻率與電機轉速是成正比關(guān)系，所以在自由制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機感應電動(dòng)勢的基本表達式可依據公式(1)寫(xiě)成

由式(2)分別作出tp=20 s、60 s、120 s時(shí)的電動(dòng)機感應電動(dòng)勢頻率衰減曲線(xiàn)，如圖11 所示。

由圖11 可以看出隨著(zhù)時(shí)間的推移，感應電動(dòng)勢的相位與工頻電源的相位逐漸拉開(kāi)，tp 越小拉開(kāi)越快，t1 時(shí)刻tp=20 s的相位僅比初始動(dòng)作時(shí)間推遲了40 ms 的時(shí)間，但與工頻相比相位差幾乎達到了90毅，這時(shí)的吟U 就會(huì )較大，有可能造成切換的失敗;但tp=120 s的相位比初始動(dòng)作時(shí)間推遲了80 ms 的時(shí)間，與工頻相比相位差只有60毅左右，吟U就不會(huì )超過(guò)工頻電源電壓，可以安全的切換。通過(guò)以上分析可知，該切換方法對停機過(guò)程較長(cháng)的系統可以比較容易實(shí)現，而停機過(guò)程較短的系統就不太適用了。

4 JD-BP 系列變頻-工頻軟切換裝置

山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司在相位檢測的理論基礎上，開(kāi)發(fā)出了JD-BP 系列變頻-工頻軟切換裝置。該裝置運用了提前切換的控制思想，在大量試驗和現場(chǎng)測試的基礎上成功解決了電動(dòng)機變頻與工頻的切換問(wèn)題。運用該裝置的大慣性的切換系統，在轉換瞬間幾乎看不到電流的波動(dòng)，電動(dòng)機及其拖動(dòng)系統也無(wú)振動(dòng)現象。在降速過(guò)程較快的供水系統中切換瞬間的最大沖擊電流的峰值也被控制到了1.5 倍的額定電流以下，取得了令人滿(mǎn)意的效果，本裝置已被國家知識產(chǎn)權

局評定為實(shí)用新型國家專(zhuān)利，現介紹如下。

4.1 提前切換的目的

該裝置對通過(guò)檢測相位的方法進(jìn)行了完善，以提前動(dòng)作的方法來(lái)彌補接觸器動(dòng)作的延遲。變頻器的輸出和工頻電源如果都是絕對的50 Hz，那么兩者之間的相位差是固定不變的，這樣就談不上相同相位時(shí)刻的切換問(wèn)題。即使由于兩者的誤差

而引起出現同相位的時(shí)刻，也會(huì )因其隨機性太大，而不能用到實(shí)際的控制中。在實(shí)際的應用中，將變

頻器的輸出頻率稍微調高一些，這樣就可以比較容易地得到它與工頻電源同相位的時(shí)刻了，并且保持在每一個(gè)同相位時(shí)刻來(lái)臨之前，使變頻器輸出的電壓相位總是超前于工頻電源相位。在該段時(shí)間的某一時(shí)刻斷開(kāi)變頻器的輸出，則電動(dòng)機的

感應電動(dòng)勢的相位也是超前于工頻電源的。因此，隨著(zhù)切換過(guò)程的推移，電動(dòng)機感應電動(dòng)勢的頻率逐漸下降，這樣就可在與工頻電源同相位時(shí)投入工頻電源，從而順利完成電動(dòng)機從變頻運行到工頻運行的切換。雖然有些系統中提高電機的轉速會(huì )對系統產(chǎn)生影響，但由于頻率提升很小，而且切換過(guò)程短，所以其影響可忽略。

4.2 切換過(guò)程

當系統中的變頻器運行到50 Hz，并且經(jīng)過(guò)確認需要向工頻切換時(shí)，軟切換裝置開(kāi)始檢測工頻電源與變頻器輸出的相位，根據調試時(shí)的設定，升高變頻器的頻率，頻率到達后系統再向軟切換裝置發(fā)出切換命令。軟切換裝置在得到系統發(fā)出的切換指令后，捕捉到同相位時(shí)刻，命令系統斷開(kāi)接觸器KM2，接通接觸器KM3。兩接觸器之間是互鎖的，但兩者之間并沒(méi)有人為的延時(shí)，得到的切換命令是同時(shí)的。

4.3 效果分析

圖12是tp=20 s 的電動(dòng)機感應電動(dòng)勢的等效曲線(xiàn)與工頻電源的相位比較圖。

圖12 中等效曲線(xiàn)的t0-t1 階段是變頻器輸出在50.5 Hz 時(shí)的等效曲線(xiàn)，t1 右側是斷開(kāi)變頻器后電動(dòng)機感應電動(dòng)勢的頻率衰減曲線(xiàn)。由此圖可以看出t1時(shí)刻兩者的相位差也只有60毅左右，t3時(shí)刻兩者的相位差不到60毅，考慮到接觸器動(dòng)作的延遲，在t3 時(shí)刻之前投入工頻電源是安全的。通過(guò)調整我們可以在t2時(shí)刻前后投入工頻電源，這樣可以將吟U降到最小。同時(shí)由于整個(gè)過(guò)程沒(méi)有延時(shí)，切換時(shí)間短，再加上頻率的升高，電機轉速下降極少，更有利于減小沖擊電流。

5 結語(yǔ)

該裝置電路簡(jiǎn)單，附屬電路少，抗干擾能力強，切換效果好，可適用于各種變頻-工頻轉換的系統。