變頻器輸出切換

摘

要：針對目前在變頻器輸出切換問題上存在認識誤區(qū)的情況，試圖從技術和經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，對變頻器的輸出切換問題進行分析探討，以澄清某些錯誤的看法，確立一個客觀的認識。同時提出了一種多泵恒壓供水及水泵群軟起停控制方案。關鍵詞：變頻器；輸出切換；軟起動；恒壓供水系統(tǒng)一、引言交流異步電動機直接起動所產(chǎn)生的電流沖擊和轉矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響，故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟起動方案。常用的方法是降壓起動，但由于電動機的起動轉矩與所加電壓的平方成正比，所以降壓起動只適用于空載或輕載起動的設備。即使如此，在降壓起動過程中，由于沒有改變電源頻率，過大的轉差率的存在，也不可避免地會出現(xiàn)較大的過電流。對于重載起動的設備則需要采用變頻軟起動方案，即用變頻器帶動電機從零速開始起動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉速。變頻軟起動的優(yōu)點是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產(chǎn)生過電流；并可提供等于額定轉矩的起動力矩，故特別適合于需重載或滿載起動的設備。如果變頻器僅僅承擔軟起動的任務，不作調速運行的話，則在變頻器帶動電機達到額定轉速后，就要將電動機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行，變頻器可以再去起動其他的電動機。母管制多泵恒壓供水系統(tǒng)就是一個典型的例子。當水壓過高需要停泵時，為了避免“水錘效應”，也不允許突然切斷水泵電源，而要求逐漸降低轉速緩慢停車。這時就需要將電動機再切換到變頻器拖動，實現(xiàn)減速停車。這樣就不可避免地要進行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。變頻器的輸出切換問題，目前尚未得到足夠的重視，因而在認識上還存在著一些誤區(qū)：一種看法是將變頻器當作一般的交流電源，或者象軟起動器一樣，因而可以將電動機在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認為由于變頻器自身的設計原理，是不允許變頻器在運行中進行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗，所以有關變頻器在拖動系統(tǒng)應用的文章中，碰到變頻器的切換問題時，要么有意回避，不作具體描述；要么一語帶過，用簡單的一句“切換到電網(wǎng)運行”了之。即使有些文章在切換問題上進行了一些探索，但是也沒有將這個問題的本質揭示出來，給人一種功虧一匱的感覺。本文試圖從技術和經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，對變頻器輸出切換問題作進一步的分析探討，不妥之處，歡迎同行們批評指正。二、變頻器的輸出切換方法分類首先對目前工程設計中常用的變頻器的輸出切換方式進行大致的分類，然后再逐一加以討論。冷切換在變頻器停車停電時進行切換，等切換完成后再開機運行。熱切換在變頻器運行中進行帶電切換，又可分為硬切換電動機在切換時要瞬時停電，因而難免會產(chǎn)生沖擊。軟切換也叫同步切換，真正的不停電平穩(wěn)切換。冷切換是最安全、最簡單的切換方式，但它只能用于可以間斷工作的負載；對于需連續(xù)工作的負載，只能采用熱切換的方式。三、硬切換的危害性及改進辦法1、由變頻器向電網(wǎng)切換變頻器拖動電機軟起動，逐漸升速，當變頻器輸出頻率達到50Hz，電壓達到額定電壓，電動機的轉速也已達到額定轉速時，快速將電動機從變頻器切出，再立即投入電網(wǎng)運行。如果開關的速度快，碰巧也許不會出現(xiàn)過大的沖擊電流，電動機在承受較小的電流和轉矩沖擊后正常全速運行。通常在切換前必須保證變頻器的輸出與電網(wǎng)電壓同相序，并最好要進行電壓的幅值、頻率及相位跟蹤，使其與電網(wǎng)盡量保持一致，否則將會引起嚴重的后果。另外，為了避免變頻器突然甩負荷而使功率器件承受過大的電流電壓沖擊而損壞，故在將電動機從變頻器切離之前，應先封鎖變頻器的輸出。當電動機斷開電源后，由于定子開路，定子繞組中儲存的磁場能量要經(jīng)過較長的時間才能衰減完，而轉子是短路的，轉子電流將按一定的時間常數(shù)衰減，這個電流產(chǎn)生的磁通，因為轉子還在旋轉，就會在定子繞組中感應出電動勢（反電勢）。感應電勢的頻率和相位是隨著轉子轉速的變化而變化的。當轉子電流尚未衰減到零時，若合上電源，會因為電源電壓與定子儲能電勢和轉子感應電勢的相位差而產(chǎn)生沖擊電流，若合閘時電源電壓與感應電勢的相位差剛好為180°時，將會產(chǎn)生比起動電流還要大的沖擊電流，這會影響到電網(wǎng)的安全運行及電動機的壽命。因此電動機在斷開電源后，應該等轉子電流充分衰減后再合上電源。轉子電流衰減的時間視電動機容量的大小及其所帶負荷的大小而異，一般為1～3s。由電動機反電勢引起的過電流與電動機起動時因為轉子堵轉（S=1）所產(chǎn)生的堵轉電流不是一回事，所以在切換時會面臨二個問題：一方面要避開反電勢引起的沖擊電流，另一方面又要利用電機的轉速，以減小合閘沖擊電流。因此應當選擇一個最為合適的時間重合閘，才能使切換引起的沖擊電流最小，倒并非要等轉子完全停止后再合閘，因為此時的電流即為全壓靜止起動電流。由此可見，硬切換一定會引起沖擊電流，只是其值大小不同罷了，不可能做到平穩(wěn)切換。為了減小硬切換時引起的沖擊電流，當變頻器的輸出頻率已經(jīng)達到50Hz時，可在變頻器及電動機參數(shù)許可的范圍內，繼續(xù)加速到55Hz左右，再將電動機從變頻器切出，電動機進行自由停車運行，同時轉子電流逐漸衰減，經(jīng)過1～2s，轉子電流基本已衰減為零，且轉速也已下降到額定轉速附近時，再將電動機投入電網(wǎng)運行，將會有較小的沖擊電流。當然為了避免電動機從變頻器切出時變頻器因甩負荷而引起的過電壓損壞功率器件，在切換前應先封鎖變頻器的輸出。2、由電網(wǎng)向變頻器切換到目前為止，還沒有人敢在變頻器運行中將電動機由電網(wǎng)向變頻器切換，因為由以上的分析可知，這無疑是對變頻器作一次破壞性的試驗，過大的沖擊電流將使變頻器跳閘或損壞。如果電動機拖動的負載不允許突然停車的話，或者須由定速運行轉為調速運行時，可以這樣操作：先將電動機由電網(wǎng)切除，自由停車運行，延時1～2s，避開反電勢的影響，在封鎖輸出的情況下將電機接到變頻器，變頻器跟蹤電動機轉速并以跟蹤頻率啟動運行，沖擊將會很小。ABB公司的ACS1000型變頻器就有跟蹤起動功能。三、同步切換（軟切換）同步切換就是在不停電的情況下，利用鎖相環(huán)技術，使變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致，然后可進行變頻器與電網(wǎng)之間的相互平穩(wěn)切換。1、由變頻器向電網(wǎng)切換五、恒壓供水及水泵群軟起?？刂葡到y(tǒng)可以說恒壓供水系統(tǒng)是變頻器應用最普遍和最成功的場合，雖然系統(tǒng)設計五花八門，各有高招，然而卻不盡合理。1、不同供水調節(jié)方式的經(jīng)濟性一般的供水系統(tǒng)，由于供水量及可靠性的要求，都采用多臺泵并聯(lián)運行的方式。這樣也有利于當供水量在大范圍內變化時，通過水泵的臺數(shù)調節(jié)實現(xiàn)經(jīng)濟運行，但是僅用臺數(shù)調節(jié)，不能保證恒壓供水，且其運行效率也不高。水泵采用轉速調節(jié)流量，運行的經(jīng)濟性最好。但對于容量較大的供水系統(tǒng)，若采用全容量轉速調節(jié)，投資太大，也無必要。所以對于多臺水泵的供水系統(tǒng)，用一臺調速泵即可實現(xiàn)全容量范圍的恒壓供水，其它的泵只要定速運行。即用臺數(shù)調節(jié)和轉速調節(jié)共同保證供水量變化范圍內的恒壓供水。其經(jīng)濟性比較如圖4所示。系統(tǒng)中的調速泵一般用變頻器拖動。變頻器除了通過調節(jié)水泵轉速實現(xiàn)恒壓供水外，也可通過切換控制用作其它泵的軟起動設備。但如前面分析的那樣，切換控制是一個關鍵。采用硬切換方式，若操作不當，不可避免地會出現(xiàn)較大的沖擊電流，甚至使變頻軟起動功能失去意義，且頻繁的切換操作還可能會損壞變頻器。采用同步切換就要增加控制和檢測設備的投資，同時考慮到變頻器過高的使用率，為了保證供水系統(tǒng)的可靠性，變頻器最好考慮備份。2、一種經(jīng)濟實用的恒壓供水系統(tǒng)這里推薦一種既經(jīng)濟實用，又安全可靠的恒壓供水控制系統(tǒng)，即用一臺變頻器固定拖動調速泵保證恒壓供水，用一臺軟起動器負責多臺定速泵的起停控制，整個供水系統(tǒng)的協(xié)調控制則用一臺可編程序控制器（PLC）實現(xiàn)，其控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。該方案在大型母管制供水系統(tǒng)中幾乎已成為標準設計。系統(tǒng)中的軟起動器指的是電子式晶閘管降壓起動器，其原理控制框圖如圖6所示。它的起動性能雖然沒有變頻軟起動好，有較小的沖擊電流存在，但因其投資省，且可與電網(wǎng)任意切換而不會造成任何損害，還可實現(xiàn)軟停車，消除“水錘效應”，因而得到了廣泛的應用。為了減小由軟起動器起動水泵時的沖擊電流，可在每臺水泵的出口處裝設電動閥門，起動前將閥門關閉，等電機起動達到全速后，再將閥門打開，這些操作都可以交由PLC完成。由圖6可見，通過晶閘管的移相控制作用，使電動機的電壓按一定的規(guī)律升為全壓后，接通旁路接觸器，撤去晶閘管的控制信號，關斷晶閘管，軟起動器即可退出運行。當某臺水泵需要退出系統(tǒng)軟停車時，可以先將軟起動器投入，使晶閘管全開通，再將該泵的旁路接觸器跳開，軟起動器就可通過控制晶閘管的導通角，逐漸減小輸出電壓，進行水泵的軟停車。這樣的恒壓供水系統(tǒng)，既經(jīng)濟又可靠。尤其是在城市自來水系統(tǒng)中，因水泵功率大，多采用高壓電動機拖動。由于高壓變頻器的價格昴貴，故只用變頻器拖動一臺調速泵運行。軟起動器的價格則僅為變頻器價格的15％～20％左右，由它來控制其它泵的起停，這樣由于避免了變頻器的切換操作，系統(tǒng)可靠性大大提高。3、變頻器旁路與軟起動器旁路的分析比較由圖6可見，軟起動器的功率器件—晶閘管的輸入端也是接到電網(wǎng)的，所以當將電動機由軟起動器切換到電網(wǎng)運行時只是將晶閘管短路而已，切換操作對晶閘管絲毫沒有影響。而變頻器一般采用交一直—交系統(tǒng)，即使將變頻器整個短路后，變頻器的直流母線還通過整流器由電網(wǎng)供電，逆變器的功率器件仍然要承受直流高壓，這時逆變器的功率器件若導通的話，則會直接與電網(wǎng)短路而造成損壞。另外變頻器的逆變器部分與功率器件反并聯(lián)的快恢復二極管剛好組成了一個反向的三相整流橋，當電動機運行在發(fā)電狀態(tài)時，或者當變頻器輸出端直接接到電網(wǎng)時，則會通過這個整流橋使電流流向直流母線，使直流母線電壓“泵升”，威脅濾波電容器及功率開關器件的安全。所以在變頻器的輸出端切換電動機時，一定要慎之又慎。六、結束語由以上的分析可見，變頻器一般不允許在運行中進行負載切換操作。如果要在變頻器輸出側進行切換的話，應盡量采取冷切換方式：第一步使變頻器停機，第二步在其輸出側進行切換，第三步在切換后重