交流變頻調(diào)速的切換控制技術(shù)
 

1、“冷”切換

電機(jī)在停止運(yùn)行時(shí)，將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單，只要增設(shè)兩個(gè)適當(dāng)容量的斷路器或接觸器即可，切換過程可以手動(dòng)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(dòng)。當(dāng)電機(jī)在變頻器的控制下，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值，變頻器輸出電壓的頻率與電網(wǎng)頻率（50Hz）一致時(shí)，將電機(jī)從變頻器驅(qū)動(dòng)切換到主電源驅(qū)動(dòng)。由于電機(jī)容量比電網(wǎng)小很多，切換過程對(duì)電網(wǎng)影響可忽略。但是必須防止切換時(shí)電網(wǎng)電壓對(duì)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(dāng)電機(jī)功率較大（一般100KW以上），尤其是高壓變頻器切換時(shí)，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(huì)造成對(duì)電網(wǎng)和變頻器雙方的沖擊，不僅達(dá)不到軟起動(dòng)的效果，還會(huì)影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作并損壞變頻器。最嚴(yán)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(shí)，電機(jī)的反電勢(shì)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(shù)對(duì)異步電機(jī)和同步電機(jī)又有所不同。

本文將結(jié)合作者在變頻調(diào)速項(xiàng)目中的實(shí)踐，對(duì)不同情況下的切換控制技術(shù)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(tái)風(fēng)機(jī)組成的一個(gè)工序中，四臺(tái)電機(jī)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(tái)電機(jī)；同時(shí)接觸器K₁₂、k₂₂、k₃₂、k₄₂又分別將電機(jī)連接至主電網(wǎng)（見圖1）。變頻器可以對(duì)四臺(tái)電機(jī)中任一臺(tái)實(shí)行軟起動(dòng)，在起動(dòng)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(jī)M₁為例，首先K₁₁閉合，風(fēng)機(jī)由變頻器恒流起動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)50Hz同步轉(zhuǎn)速后，K₁₁斷開，K₁₂吸合，電機(jī)M₁轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電。以此類推。變頻器繼續(xù)起動(dòng)其他電機(jī)。如果某臺(tái)電機(jī)需要調(diào)速，可安排到最后起動(dòng)，不再切換至電網(wǎng)，由變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)速。

本系統(tǒng)的切換中，對(duì)變頻器的保護(hù)是切換控制可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。系統(tǒng)中分別采用了硬件和軟件的雙重保護(hù)。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(jī)能輸入、輸出接點(diǎn)。起動(dòng)過程中，首先判別變頻器是否有零功率信號(hào)，以次保證電機(jī)必須由零功率開始升速。為減少電流沖擊，必須在達(dá)到50Hz時(shí)才可切換至電網(wǎng)。K₁₁斷開時(shí)，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(shí)閉合。控制過程可用PLC執(zhí)行，通過PLC程序?qū)崿F(xiàn)軟件連鎖。

三、高壓異步電機(jī)變頻起動(dòng)的切換

圖2 高壓異步電機(jī)變頻啟動(dòng)的切換

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

1、選擇用來起動(dòng)的變頻器，如變頻器VFD₁。

2、選擇應(yīng)起動(dòng)的電機(jī)（如電機(jī)M₁），選擇過程可由工人或自動(dòng)作出，由上位機(jī)將選中信號(hào)發(fā)送至變頻器VFD。

3、從VFD₁和VFD₂種選擇一臺(tái)準(zhǔn)備運(yùn)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(jī)M₁的起動(dòng)接觸器K₂₁（此時(shí)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(jī)，由于電機(jī)靜止，相對(duì)于同步轉(zhuǎn)速下的50Hz，電機(jī)具有普通異步電機(jī)的4%滑差下的特性。

7、由于異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流均正比與滑差，VFD將在預(yù)設(shè)的加速度下增加提供給電機(jī)的起動(dòng)電流，當(dāng)電機(jī)力矩超過水泵的靜態(tài)阻力矩后，電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)。

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

9、當(dāng)電機(jī)頻率和電壓達(dá)到100%額定值后不再改變，此時(shí)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩與負(fù)載力矩達(dá)到平衡，而連接在V總線上的電機(jī)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(jī)進(jìn)入同步控制階段。

10、在斷開的接觸器K₁₁兩端的電壓是電機(jī)電壓和主線電壓相位關(guān)系的指示。當(dāng)電機(jī)電壓與主線電壓同相時(shí)，端電壓取兩者的差值，為最小值；當(dāng)電機(jī)電壓與主線電壓反相時(shí)，端電壓取兩者之和，為最大值。電機(jī)電壓相位與主線電壓相位的關(guān)系可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)距的微小變化作瞬間調(diào)整，前移或后移。電機(jī)轉(zhuǎn)距的瞬時(shí)減小造成電機(jī)速度的減小，因?yàn)榇藭r(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)距小于負(fù)載阻力矩；反之亦然。

11、在電機(jī)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(shí)控制該接觸器閉合，然后使起動(dòng)接觸器K₂₁斷開，于是電機(jī)由VFD驅(qū)動(dòng)變?yōu)橹骶€驅(qū)動(dòng)。

12、VFD₁停止輸出，頻率降到零，準(zhǔn)備起動(dòng)下一臺(tái)電機(jī)。

應(yīng)當(dāng)指出，上述所有過程由VFD在接到上級(jí)機(jī)發(fā)來的電機(jī)起動(dòng)信號(hào)后自動(dòng)進(jìn)行，起動(dòng)過程中不需人為干預(yù)。

該系統(tǒng)一般只用于電機(jī)的軟起動(dòng)，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(tái)電機(jī)作調(diào)速控制。此時(shí)，該電機(jī)放在最后起動(dòng)，并且不再切換到主電源。

四、同步電機(jī)變頻系統(tǒng)的起動(dòng)和切換

圖3 同步電機(jī)控制主回路結(jié)構(gòu)圖

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

起動(dòng)之前先選擇電機(jī)，假設(shè)現(xiàn)在選擇電機(jī)M₁進(jìn)行起動(dòng)。

1、起動(dòng)開始

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

2、加速運(yùn)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(jī)逐步加速至48Hz。

3、勵(lì)磁模式切換

當(dāng)頻率達(dá)到48Hz時(shí)，勵(lì)磁電流從恒磁模式切換到電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。即勵(lì)磁電流的給定值將由電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)（如圖4所示）。

圖4 勵(lì)磁電流的閉環(huán)控制

由于勵(lì)磁電流的變化可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)并使同步電機(jī)矩角特性產(chǎn)生小量變化。因此，這實(shí)際上就構(gòu)成了電壓反饋的電機(jī)同步跟蹤系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)整到穩(wěn)定時(shí)，同步電機(jī)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(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)器鑒別到電壓誤差小于1%時(shí)，進(jìn)入同步切換控制，此時(shí)變頻器計(jì)算電機(jī)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(hào)。接通K₁（或K₂），斷開K₃（或K₄）。電機(jī)轉(zhuǎn)由電網(wǎng)供電。

起動(dòng)完成后，變頻器再去起動(dòng)另一臺(tái)電機(jī)M₂。