交流異步電動機變頻-工頻切換的探討

1 問題的提出

為減少電機啟動電流對電網(wǎng)的沖擊和擺脫電網(wǎng)容量對電機啟動的制約，有用戶提出用變頻器啟動電機，在將頻率升到50 Hz后切換至工頻，之后再用變頻器去啟動其它電機。雖然這種切換思想備受爭議，但卻在一些場合得到了一定的應(yīng)用，例如一拖多的供水控制系統(tǒng)、拉絲機系統(tǒng)、鉆機系統(tǒng)等。

電動機變頻運行切換至工頻運行的主電路如圖員所示。切換的基本過程只有兩個：

1)斷開接觸器KM2，切斷電動機與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM3，將電動機投入到工頻電源上。

根據(jù)上述兩個過程的先后順序的不同，將有兩種切換方式，即“先投后切”和“先切后投”。

先投后切的切換方式只能用在具有同步切換控制功能的變頻器中，這種方法已在中、高壓變頻器中得到了成功應(yīng)用。而現(xiàn)在的低壓變頻器普遍采用的是兩電平的主回路結(jié)構(gòu)，正是這種主電路結(jié)構(gòu)決定了其不能采用先投后切的控制方式，只

能采用先切后投的控制方式。作電機變/工頻轉(zhuǎn)換時大多會遇到過這樣的情況：電機由變頻運行狀態(tài)直接向工頻運行狀態(tài)切換時，有時會產(chǎn)生特別大的沖擊電流，能達到其直接啟動電流的兩倍，即為其額定電流的十四五倍，但有的時候卻幾乎沒有電流沖擊;而斷開變頻一段時間后再轉(zhuǎn)向工頻時就不會再出現(xiàn)太大的沖擊電流，延時的時間越長出現(xiàn)的沖擊電流的峰值就會越小，這是為什么呢?下面予以分析。

2 問題的分析

三相電動機正常運行時，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生對稱的三相電動勢。若斷開電源后，主磁場雖然消失，但曾經(jīng)被主磁場磁化的轉(zhuǎn)子鐵芯依然存在剩磁，與此同時由于慣性轉(zhuǎn)子依然高速旋轉(zhuǎn)，在定子線圈產(chǎn)生的

感應(yīng)電動勢并不會在極短的時間內(nèi)消失，而只是有所衰減。圖2 是一臺37 kW電機兩相之間，在斷開變頻器輸出前、后的的定子繞組的電壓波形，由此可看出，斷開電源后定子線圈的感應(yīng)電動勢呈逐漸衰減的過程。圖3 是圖2 的展開圖形，仔細觀察該圖可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的降低，定子繞組電壓頻率也在緩慢的下降。

由于變頻器輸出的是PWM 波，其相位不易觀察，所以測得在工頻狀態(tài)下的電壓波形，對其進行進一步的分析。因為變頻器50 Hz 時的輸出電壓與工頻電壓作用在電機上基本是等效的，并不影響分析結(jié)果。圖4 是一臺2.2 kW 電機在工頻電源

下突然斷開電源后的電壓波形圖，由該圖可以看出，電壓波形沒有跳變，所以斷開瞬間感應(yīng)電動勢與電源電壓同相位，其幅值也基本相等。隨著剩磁的慢慢消失，電壓幅值逐漸降低，同時伴隨著轉(zhuǎn)速的降低感應(yīng)電動勢的頻率逐漸下降，其相位也逐漸與電源相位拉開。頻率越低，單位時間內(nèi)拉開的相位差也就越大。

據(jù)此，繪出斷電后電機感應(yīng)電壓Ud在極坐標(biāo)下衰減的向量示意圖，如圖5 所示。

從圖4 和圖5 中可以看出，瞬間斷開電源后，電機感應(yīng)電壓有所衰減，同時感應(yīng)電壓與工頻電源電壓的相位已開始拉開，不同時刻投入工頻電源，將會產(chǎn)生不同的吟U。圖6 是電機重新投入電源時的等值電路和相量圖。

圖6 中：U為工頻電源電壓;

變頻器輸出電壓起始相位具有隨機性，只是保證了相與相之間的電壓相位差為120毅。當(dāng)變頻器輸出頻率上升到50 Hz后，在進行變頻轉(zhuǎn)工頻的切換時刻，如果變頻器的輸出正好與工頻電源的相位相差180毅，切除變頻后立即投入工頻的

吟U將達到近2倍的工頻電壓，遠遠超過了其允許電壓的1.33 倍。吟U過大將產(chǎn)生很大的沖擊電流，直接作用于切換系統(tǒng)和電動機，這不但導(dǎo)致切換失敗，甚至可能導(dǎo)致電機和切換系統(tǒng)的損壞。假設(shè)在切換時刻變頻器輸出的相位與工頻電源是相同的，在圖7所示的重新投入電源的安全區(qū)域圖中，以C為圓心，1.33U為半徑繪出AB，其右側(cè)為投入工頻電源的安全區(qū)域。這樣我們就得到CE、FG、H點以后的三個安全投入工頻電源的時間范圍。

3 解決方案

在所有的變頻-工頻切換控制中，都應(yīng)保證變頻器拖動的電動機和工頻電源拖動的電動機的轉(zhuǎn)向應(yīng)該是一致的。通過以上分析可以看出CE、FG 、H 點以后三個安全投入工頻電源的時間范圍，都是由相位和幅值共同作用的結(jié)果，但還可以分別從相位和幅值兩方面入手來尋求解決辦法。

方法一：設(shè)法降低感應(yīng)電動勢的幅值，待其幅值降到約0.33U后切入工頻。

方法二：選擇合適的時刻，在電動機感應(yīng)電動勢的相位與工頻電源的相位差值較小的時刻切入工頻電源。

在前面的分析中知道電機承受的電壓Um=吟U伊Xm /(Xm+Xs)，如果在回路中串入一電抗承擔(dān)一定的電壓，使電動機承擔(dān)的電壓在允許范圍之內(nèi)，這樣就得到了另一種方法，即方法三：在回路中串入電抗，延時后將其短路掉。

3.1 降低感應(yīng)電動勢的幅值

依賴時間的推移來降低電動勢幅值的方法是不可取的。因為隨著時間的推移，轉(zhuǎn)速也在快速的下降，轉(zhuǎn)差的增大將不太有利于啟動電流的減小。

對圖1 的切換控制主電路進行優(yōu)化，得到如圖8所示的切換控制主電路。

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