关于变频器的输出切换问题探讨
2013/11/21 8:48:07 点击：
关于变频器的输出切换问题探讨
针对目前在变频器输出切换问题上存在认识误区的情况，试图从技术和经济实用的角度出发，对变频器的输出切换问题进行分析探讨，以澄清某些错误的看法，确立一个客观的认识。同时提出了一种多泵恒压供水及水泵群软起停控制方案。关键词：变频器；输出切换；软起动；恒压供水系统
1引言
交流异步电动机直接起动所产生的电流冲击和转矩冲击会给供电系统和拖动系统带来不利影响，故对于容量较大的异步电动机一般都要采用软起动方案。常用的方法是降压起动，但由于电动机的起动转矩与所加电压的平方成正比，所以降压起动只适用于空载或轻载起动的设备。即使如此，在降压起动过程中，由于没有改变电源频率，过大的转差率的存在，也不可避免地会出现较大的过电流。对于重载起动的设备则需要采用变频软起动方案，即用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速。变频软起动的优点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流；并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别适合于需重载或满载起动的设备。
如果变频器仅仅承担软起动的任务，不作调速运行的话，则在变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。母管制多泵恒压供水系统就是一个典型的例子。当水压过高需要停泵时，为了避免“水锤效应”，也不允许突然切断水泵电源，而要求逐渐降低转速缓慢停车。这时就需要将电动机再切换到变频器拖动，实现减速停车。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。 变频器的输出切换问题，目前尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区：一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者象软起动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换；另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇，所以有关变频器在拖动系统应用的文章中，碰到变频器的切换问题时，要么有意回避，不作具体描述；要么一语带过，用简单的一句“切换到电网运行”了之[3]。即使有些文章在切换问题上进行了一些探索[1][2]，但是也没有将这个问题的本质揭示出来，给人一种功亏一匮的感觉[1]。本文试图从技术和经济实用的角度出发，对变频器输出切换问题作进一步的分析探讨，不妥之处，欢迎同行们批评指正。
2变频器的输出切换方法分类
首先对目前工程设计中常用的变频器的输出切换方式进行大致的分类，然后再逐一加以讨论。
冷切换
变频器输出切换硬切换
热切换
软切换
冷切换在变频器停车停电时进行切换，等切换完成后再开机运行。
热切换在变频器运行中进行带电切换，又可分为
硬切换电动机在切换时要瞬时停电，因而难免会产生冲击。
软切换也叫同步切换，真正的不停电平稳切换。
冷切换是最安全、最简单的切换方式，但它只能用于可以间断工作的负载；对于需连续工作的负载，只能采用热切换的方式。
3硬切换的危害性及改进办法
3．1由变频器向电网切换
变频器拖动电机软起动，逐渐升速，当变频器输出频率达到50Hz，电压达到额定电压，电动机的转速也已达到额定转速时，快速将电动机从变频器切出，再立即投入电网运行。如果开关的速度快，碰巧也许不会出现过大的冲击电流，电动机在承受较小的电流和转矩冲击后正常全速运行。通常在切换前必须保证变频器的输出与电网电压同相序，并最好要进行电压的幅值、频率及相位跟踪，使其与电网尽量保持一致，否则将会引起严重的后果。另外，为了避免变频器突然甩负荷而使功率器件承受过大的电流电压冲击而损坏，故在将电动机从变频器切离之前，应先封锁变频器的输出。 当电动机断开电源后，由于定子开路，定子绕组中储存的磁场能量要经过较长的时间才能衰减完，而转子是短路的，转子电流将按一定的时间常数衰减，这个电流产生的磁通，因为转子还在旋转，就会在定子绕组中感应出电动势（反电势）。感应电势的频率和相位是随着转子转速的变化而变化的。当转子电流尚未衰减到零时，若合上电源，会因为电源电压与定子储能电势和转子感应电势的相位差而产生冲击电流，若合闸时电源电压与感应电势的相位差刚好为180°时，将会产生比起动电流还要大的冲击电流，这会影响到电网的安全运行及电动机的寿命。因此电动机在断开电源后，应该等转子电流充分衰减后再合上电源。转子电流衰减的时间视电动机容量的大小及其所带负荷的大小而异，一般为1～3s。
由电动机反电势引起的过电流与电动机起动时因为转子堵转（S=1）所产生的堵转电流不是一回事，所以在切换时会面临二个问题：一方面要避开反电势引起的冲击电流，另一方面又要利用电机的转速，以减小合闸冲击电流。因此应当选择一个最为合适的时间重合闸，才能使切换引起的冲击电流最小，倒并非要等转子完全停止后再合闸，因为此时的电流即为全压静止起动电流。
由此可见，硬切换一定会引起冲击电流，只是其值大小不同罢了，不可能做到平稳切换。为了减小硬切换时引起的冲击电流，当变频器的输出频率已经达到50Hz时，可在变频器及电动机参数许可的范围内，继续加速到55Hz左右，再将电动机从变频器切出，电动机进行自由停车运行，同时转子电流逐渐衰减，经过1～2s，转子电流基本已衰减为零，且转速也已下降到额定转速附近时，再将电动机投入电网运行，将会有较小的冲击电流。当然为了避免电动机从变频器切出时变频器因甩负荷而引起的过电压损坏功率器件，在切换前应先封锁变频器的输出。
3．2由电网向变频器切换
到目前为止，还没有人敢在变频器运行中将电动机由电网向变频器切换，因为由以上的分析可知，这无疑是对变频器作一次破坏性的试验，过大的冲击电流将使变频器跳闸或损坏。 如果电动机拖动的负载不允许突然停车的话，或者须由定速运行转为调速运行时，可以这样操作：先将电动机由电网切除，自由停车运行，延时1～2s，避开反电势的影响，在封锁输出的情况下将电机接到变频器，变频器跟踪电动机转速并以跟踪频率启动运行，冲击将会很小。ABB公司的ACS1000型变频器就有跟踪起动功能[5]。
4同步切换（软切换）
同步切换就是在不停电的情况下，利用锁相环技术，使变频器输出电压的频率、幅值和相位均保持与电网电压一致，然后可进行变频器与电网之间的相互平稳切换。
4.1由变频器向电网切换
同步切换的过程是这样的：变频器拖动电机软起动，平稳升频到接近50Hz，进入锁相环路的捕捉范围，之后在锁相环路的作用下，锁定变频器输出电压的频率、幅值、相序和相位与工频电网一致，将电动机与工频电网之间的接触器吸合，电网和变频器同时向电动机供电，然后封锁变频器的输出，并将电机从变频器切出，电动机即平稳地切换到电网运行。
由于进行了同步操作，变频器的输出参数与电网参数保持一致，在接入电网时对变频器和电动机都不会有什么影响。然后有一段时间变频器和电网同时对电动机供电。为了使变频器能安全而退，应该逐渐减小变频器的负荷，可以稍稍降低变频器的输出电压幅值，然后封锁变频器的输出，再进行切换操作。 4.2由电网向变频器切换
在由电网向变频器同步切换之前，变频器先空载加速到50Hz，启动锁相环路的跟踪技术，经过一段时间的跟踪调整，达到锁定状态后变频器合闸，然后电网开关跳闸，电动机即平稳地由电网切换到变频器调速运行。
为了尽量减小切换过程中对变频器的冲击作用，在锁定状态变频器合闸之前，应稍稍调低变频器输出电压的幅值，以免合闸时造成对变频器过大的冲击电流。在过渡到由电网和变频器同时向电动机供电阶段，再稍稍调高变频器输出电压的幅值，逐渐将负荷从电网向变频器转移，以免在电网开关跳闸时对变频器造成过大的冲击。
4．3锁相控制[1]
锁相控制就是利用锁相环路（PLL）通过让变频电源的频率和相位自动跟踪工频电源的频率和相位，达到“锁定”状态，从而为同步切换创造条件。锁相环路是一个闭环的相位控制系统，能够自动地跟踪输入信号的频率和相位，使输出信号的频率和相位与输入信号同步，称之为“锁定”。锁相环路主要由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO，这里即为变频器）三个基本部分组成，其构成如图1所示。
图2为具有同步切换功能的交流异步电动机循环软起动切换控制装置框图。用一台变频器分时软起动3台异步电动机，每一台电动机软起动以后，切换到工频电网定速运行。系统由变频器、相位信号取样电路、锁相控制电路、可编程控制器和切换接触器等组成。相位信号取样电路对工频电源和变频器输出电压实行取样、隔离和整形处理。锁相环路由锁相控制电路和变频器组成；锁相控制电路则由鉴相器和环路滤波器组成。
同步切换控制系统以工频电源的电压相位信号θ1(t)作为基准信号，变频器输出的电压相位信号θ2(t)作为跟踪信号。鉴相器比较两个信号的相位，输出一个正比于两个信号相位差的电压信号ud(t)，经滤波器滤波后作为变频器的辅助频率给定信号，用以控制变频器输出电压的频率和相位，达到跟踪工频电源频率和相位的目的。当二者的频率相等，相位差稳定在一个较小的数值时，称为锁定，此时输出一个切换信号，便可以在PLC的控制下，安全、平稳地进行变频器和工频电网之间的相互切换了。
4.4ABB公司ACS1000中压变频器的同步切换控
制功能[5]
ACS1000型中压变频器，是ABB公司用最新功率开关器件—IGCT（集成门极换流晶闸管）设计生产的三电平新型高效中压变频器系列。并采用了先进的直接转矩控制（DTC）技术，从而获得了非常出色的转矩特性和速度响应特性。输出功率315kW～5000kW；输出电压等级有2.3kV、3.3kV、4.16kV。（对于6kV电机须进行Y/△改接）
ACS1000变频器的另一个突出优点是，为了满足电动机循环软起动及调速运行和定速运行之间的切换，特别设计了变频器与工频电网之间的同步旁路切换功能，满足了这类用户的要求，拓展了变频器的应用领域。同步旁路切换控制系统如图3所示。旁路切换控制系统有两种型号：单机旁路和多机旁路，选用多机旁路时最多可控制4台电动机。
5恒压供水及水泵群软起停控制系统
可以说恒压供水系统是变频器应用最普遍和最成功的场合，虽然系统设计五花八门，各有高招，然而却不尽合理。
5.1不同供水调节方式的经济性
一般的供水系统，由于供水量及可靠性的要求，都采用多台泵并联运行的方式。这样也有利于当供水量在大范围内变化时，通过水泵的台数调节实现经济运行，但是仅用台数调节，不能保证恒压供水，且其运行效率也不高。水泵采用转速调节流量，运行的经济性最好。但对于容量较大的供水系统，若采用全容量转速调节，投资太大，也无必要。所以对于多台水泵的供水系统，用一台调速泵即可实现全容量范围的恒压供水，其它的泵只要定速运行。即用台数调节和转速调节共同保证供水量变化范围内的恒压供水。其经济性比较如图4所示。
系统中的调速泵一般用变频器拖动。变频器除了通过调节水泵转速实现恒压供水外，也可通过切换控制用作其它泵的软起动设备。但如前面分析的那样，切换控制是一个关键。采用硬切换方式，若操作不当，不可避免地会出现较大的冲击电流，甚至使变频软起动功能失去意义，且频繁的切换操作还可能会损坏变频器。采用同步切换就要增加控制和检测设备的投资，同时考虑到变频器过高的使用率，为了保证供水系统的可靠性，变频器最好考虑备份。 5．2一种经济实用的恒压供水系统
这里推荐一种既经济实用，又安全可靠的恒压供水控制系统，即用一台变频器固定拖动调速泵保证恒压供水，用一台软起动器负责多台定速泵的起停控制，整个供水系统的协调控制则用一台可编程序控制器（PLC）实现，其控制系统框图如图5所示。
该方案在大型母管制供水系统中几乎已成为标准设计。系统中的软起动器指的是电子式晶闸管降压起动器，其原理控制框图如图6所示。它的起动性能虽然没有变频软起动好，有较小的冲击电流存在，但因其投资省，且可与电网任意切换而不会造成任何损害，还可实现软停车，消除“水锤效应”，因而得到了广泛的应用。为了减小由软起动器起动水泵时的冲击电流，可在每台水泵的出口处装设电动阀门，起动前将阀门关闭，等电机起动达到全速后，再将阀门打开，这些操作都可以交由PLC完成。 由图6可见，通过晶闸管的移相控制作用，使电动机的电压按一定的规律升为全压后，接通旁路接触器，撤去晶闸管的控制信号，关断晶闸管，软起动器即可退出运行。当某台水泵需要退出系统软停车时，可以先将软起动器投入，使晶闸管全开通，再将该泵的旁路接触器跳开，软起动器就可通过控制晶闸管的导通角，逐渐减小输出电压，进行水泵的软停车。
这样的恒压供水系统，既经济又可靠。尤其是在城市自来水系统中，因水泵功率大，多采用高压电动机拖动。由于高压变频器的价格昴贵，故只用变频器拖动一台调速泵运行。软起动器的价格则仅为变频器价格的15％～20％左右，由它来控制其它泵的起停，这样由于避免了变频器的切换操作，系统可靠性大大提高。
5.3变频器旁路与软起动器旁路的分析比较
软起动器的功率器件—晶闸管的输入端也是接到电网的，所以当将电动机由软起动器切换到电网运行时只是将晶闸管短路而已，切换操作对晶闸管丝毫没有影响。而变频器一般采用交一直—交系统，即使将变频器整个短路后，变频器的直流母线还通过整流器由电网供电，逆变器的功率器件仍然要承受直流高压，这时逆变器的功率器件若导通的话，则会直接与电网短路而造成损坏。
另外变频器的逆变器部分与功率器件反并联的快恢复二极管刚好组成了一个反向的三相整流桥，当电动机运行在发电状态时，或者当变频器输出端直接接到电网时，则会通过这个整流桥使电流流向直流母线，使直流母线电压“泵升”，威胁滤波电容器及功率开关器件的安全。所以在变频器的输出端切换电动机时，一定要慎之又慎。
6结语
由以上的分析可见，变频器一般不允许在运行中进行负载切换操作。如果要在变频器输出侧进行切换的话，应尽量采取冷切换方式：第一步使变频器停机，第二步在其输出侧进行切换，第三步在切换后重新起动变频器。 利用一台变频器对多台电动机进行循环软起动是一种危险的诱惑[4]，因为大部分设计采用硬切换方式，稍有操作不当都会产生不良后果，甚至根本达不到变频软起动的目的。对于小容量的低压电机，由于变频器功率开关器件的过载容量较大，问题还不大突出，还能勉强使用，功率越大，危险性也越大。对于大功率的高压电机一定要采用同步切换方案，否则后果不堪设想。只要真正认识了变频器拖动系统的客观规律，设计好同步切换控制系统，变频器的输出切换是完全可行的。
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