变频器的切换分析与同步控制

交流异步电动机被广泛应用于各行各业，在采用变频调速控制系统中经常需要变频器和工频电源进行切换。切换的主要类型为：故障切换和多机系统切换。在很多生产机械运行过程中，电动机是不允许停止运行的，如纺织及化工厂的排风机、锅炉的鼓风机和引风机等，在变频器投入运行过程中，一旦变频器发生故障而跳闸时，电动机必须能够快速地切换到工频电源上运行；如多泵供水系统中，常采用一台变频器控制多台水泵的方案，通常称为1拖N，该系统也需要变频器到工频电源的切换。

  在切换时，由于电动机脱离电源而转子又高速旋转，加之转子中直流磁场的存在，此时电动机处于同步发电机状态，若直接切换到工频电源，会出现很大的冲击电流，对电网、变频器及电动机都会产生不良影响，频繁切换会出现变频器炸机和烧毁电动机等现象的发生。利用同步切换技术可避免变频器切换时因工频电源相位与变频器的输出电源相位不一致而产生的巨大冲击电流，从而在很大程度上提高了切换的可靠性，有效地保护了电动机及变频器，并避免了对电网的干扰。

  2冲击电流的产生及影响2.1冲击电流的产生在变频器输出电源的频率和相位与工频电源的频率和相位不致时，将异步电动机从变频器供电切换到工频电源供电，在此过程中会因定子绕组反电势和转子转差过大产生冲击电流，该冲击电流可达额定电流的30倍左右。

  定子绕组电动势引起的冲击电流。当电动机断开电源瞬间，高速旋转的转子切割转子绕组产生的直流磁场中的磁力线，加之定子绕组为开路，此时，异步电动机处于同步发电机状态，随着转子转速的降低，在定子绕组中产生的三相电压的幅值和频率也逐渐变小，这时工频电压和定子绕组上产生的电压两者间的相位必然不同步，并且会随着断电时间的增加，相位差会不断变化。在切换时若两者处于相同（相位差为0）时，两电压相互抵消，不会产生很大的冲击电流；若两者处于反相（相位差为180）时，两电压将进行叠加，这时会产生很大的冲击电流，数值达到电动机直接启动时电流的3倍左右。

  当电动机断开电源瞬间，由于定子开路，定子绕组中储存的磁场能量无释放回路，在定子绕组中会产生很大的反电势，若此时切换到工频电源上将产生很大的冲击电流。

  转差过大引起的冲击电流。在电动机断开电源后，因大部分电动机带有负载切换，故电动机的转速会快速下降，则转子的实际转速与同步转速之间的转差较大，又因电动机定子绕组中剩磁的存在和转子电流产生的逐渐衰减的直流磁场，此时转子绕组切割磁力线而产生的感应电动势和电流都较大（mcx：di/di，iccdw/di），从而产生冲击电流。

  2.2冲击电流的影响由于定子绕组中的反电势和电动机处于同步发电机状态下产生的电动势及自成回路的转子中自感电动势所产生的冲击电流，必然对电动机、变频器及电网等产生影响。

  1）对变频器的影响。变频器在正常带载工作时，变频器中的功率器件流过的电流通过电动机的绕组流通，其能量及电压主要消耗在电动机绕组上，不会对其产生不利的影响。一旦变频器突然甩开负荷时，通过功率器件中的电流失去回路，产生极大的d/df，造成功率器件端电压的急剧升70高，使功率器件承受过大的电流冲击，会对其造成损害2.此冲击电流还会对变频器中续流二极管、滤波电容及变频器的绝缘造成损害，这势必大大缩短变频器的使用寿命3.对电动机的影响。电动机轴上所带负载不同，影响程度也不同；电动机的容量不同，影响程度亦不同。电动机若带送、排风机的电动机，因切换时空气形成的反压小，延时13s后避开反电势的影响而切换到工频电源，不会受到大电流的冲击，该冲击电流电动机完全能承受；电动机若带泵类负载，因会出现“水锤”效应，加之切换时的反电势和高水压，将使电动机出现大于额定电流20倍的电流冲击和巨大的转矩冲击，引起电动机损坏。若电动机为老式型号，因电动机效率和功率因数低，铜损和铁损较大，切换产生的冲击电流大部分消耗在电动机的损耗上，电动机能承受该冲击电流；若电动机为新型号，因电动机的效率和功率因数较高、功耗小、体积小、重量轻，切换时产生的冲击大部分变为转矩冲击，因而对电动机损害较大。

  对电网的影响。若切换时机较好，该冲击电流不会对电网产生太大影响；若切换时刻选择不当轻则使空气开关跳闸，重则对电网产生干扰并引起电网波动，对供电系统的安全和产品质量会产生不利影响，若大容量电动机影响则更大。

  3同步切换的原理分析变频到工频的切换原理可用三相异步电动机任意一相绕组的相量加以分析，如所示。异步电动机在正常工作时，主磁通少m以同步转速。旋转，在定子绕组中产生的感应电势为而定子绕组的电势平衡方程为7从3个基本电路组成，其基本组成如所示。

  鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位ft⑴与反馈信号相位0G）之间的相位差G）。输出误差信号Ud是相位差信号0⑴的线性函数，所以鉴相器是一个比例环节。

  环路滤波器采用的是无源比例积分滤波器。当环路处于锁定状态时，输出频率（变频器的输出频率）与输入频率（工频电网电源的频率）相同，两者之间只有一稳态相差，当开环增益足够大时，此相差很小。当输入信号发生相位或频率的变化时，通过环路自身的调节，环路输出信号，即变频器的输出频率和相位会跟踪输入信号的变化。若输入信号有如下情况的波动时，也不会产生很大的相位差。

  输入信号频率阶跃。当输入信号发生频率阶跃时，此时其拉氏变换根据拉氏变换终值定理：从选取较大时，产生的稳态相位误差比较小。

  输入信号相位阶跃。当输入信号发生相位阶跃时，此时其拉氏变换根据拉氏变换终值定理：从时，同步器能实现系统平稳切换。

  控制器1变频器在100ms内进行同相点“捕捉”，5.5 s时切换到工频电源。

  如上所述在切换瞬间，变频器的输出频率和相位与工频电压频率和相位绝对一致是很难出现的。使用“差频同相”切换方法的同步器，成功地解决了变频与工频的切换问题，并在大量的系统进行了仿真，电动机在同步切换时定子电流波形如所示。电动机在变频器输出上限频率并经确认时间后，在5.4s时切断变频器，从中可以看出，采用同步器控制同步切换方式时有较小的电流冲击，大约是额定电流的2倍。切换到工频电源0. 2s后，电动机能重新进入新的稳定状态。

  6结论变频器在控制系统进行变频到工频切换时若切换时机选择不当，切换过程中产生的冲击电流对电网、变频器及电动机等设备产生严重的冲击。本文提出用同步器实现变频到工频的切换，论述了切换原理及实现方法，并用仿真软件对切换过程进行仿真。该同步器在某公司的面漆线鼓风系统、锅炉排风系统、多泵恒压供水系统等产品中投入使用，运行稳定可靠。实践表明：用同步器实现变频到工频的切换，切换产生的冲击电流不大于2倍的，有效避免了切换过程过大