大功率电机变频切换工频存在的问题

1、交流异步电动机变频 -工频切换的探讨 交流异步电动机变频 -工频切换的探讨The Discussion on AC Asynchronous Motor of VF to WF Switching摘要 :为减少电机启动电流对电网的冲击和摆脱电网容量对电机启动的制约,有用户提出 用变频器启动,升到 50Hz 后切换至工频,变频器再去启动其它电机。本文就如何切换才能 避免产生冲击电流, 避免对电动机以及整个系统的电气性能和机械性能造成损害, 进行了深 入的分析,并通过多次试验找到了解决途径,继而开发成了正式成品。关键词 :交流异步电动机 变频转工频 无冲击切换Abstract:In order t

2、o reducing the restriction of motor starting current to power network and getting rid of the limitation of net capacity. Using variable-frequency starting was put forwards. This paper has a deep analysis on how to avoid the impulse current , and the harm of impacting to electrical performance and me

3、chanical properties in whole system. Also by multiple tests found the way, and developed the formal product.Key words:Ac asynchronous motor VF to WF Non-impact switching1. 问题的提出为减少电机启动电流对电网的冲击和摆脱电网容量对电机启动的制约, 有用户提出用变 频器启动,升到 50Hz 后切换至工频,变频器再去启动其它电机。虽然这种切换思想备受争议,但却在一些场合得到了一定的应用,如:一拖多的供水控制系统、拉丝机系统、钻机系

4、 统等 。变频运行的电动机切换成工频运行的主电路如图1所示。切换的基本过程只有 2个 :(1断开接触器 KM2,切断电动机与变频器之间的联系 ;(2接通接触器 KM3,将电动机投入到工频电源上。根据上述两个过程的先后顺序的不同,而有两种切换方式 :“ 先投后切 ” 和 “ 先切后投 ” 。图 1切换控制的主电路先投后切的切换方式只能用在具有同步切换控制功能变频器中, 这种方法在中、 高压变 频器中得到了成功的应用。 而现在低压变频器普遍采用的是两电平的主回路结构, 正是这种 主电路结构决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。做电机工变频转换时大多会遇到过这样的情况:电机由

5、变频运行状态直接向工频运行状 态切换时有时会产生特别大的冲击电流, 能达到其直接启动电流的两倍, 约为其额定电流的 十四五倍, 但有的时候却几乎没有电流冲击; 而断开变频一段时间后再转向工频时就不会再 出现太大的冲击电流,延时的时间越长出现的冲击电流的峰值就会越小。这是为什么呢? 2. 问题的分析三相电动机正常运行时, 以同步转速旋转的主磁场在定子三相绕组内感应对称的三相电 动势。若断开电源后,主磁场消失,但曾经被主磁场磁化的转子铁芯依然存在剩磁,与此同 时由于惯性转子依然高速旋转,在定子线圈产生的感应电动势并不会在极短的时间内消失, 只是有所衰减。 图 2是一 37KW 电机两相之间 , 在

6、断开变频器输出前、 后的的定子绕组的电压 波形,由此可看出,断开电源后定子线圈的感应电动势逐渐衰减的过程。图 3是图 2的展开, 仔细观察该图可以看出,随着转速的降低,转子绕组电压频率也在缓慢的下降。图2定子电压衰减波形1 图3定子电压衰减波形2由于变频器输出的是 PWM 波,其相位不易观察,测得在工频状态下的电压波形进行进一步的分析。 因 为变频器50Hz 时的输出电压与工频电压作用在电机上基本时等效的, 并不影响分析结果。 图4是一2.2KW 电 机在工频电源下突然断开电源后的电压波形图,由该图可以看出,电压波形没有跳变,所以断开瞬间感应 电动势与电源电压是同相位的,其幅值也是基本相等的。

7、 随着剩磁的慢慢消失,电压幅值逐渐降低, 同时伴 随着转速的降低感应电动势的频率逐渐下降,其相位也逐渐与电源相位拉开。频率越低,单位时间内拉开 的相位差也就越大。图4电机在工频下断开电源后的电压波形据此,绘出断电后电机感应电压 Ud 在极坐标下衰减的向量示意图,如图5中 Ud 所示图 5极坐标下的电机感应电压衰减示意图从图4和图5中可以看出,瞬间断开电源后,电机感应电压有所衰减,同时感应电压与工频电源电压的 相位已开始拉开,不同时刻投入工频电源,将会产生不同的U。图6是电机重新投入电源时的等值电路和 相量图。 图6电机重新投入电源时的等值电路和相量图图中U 工频电源电压Ud 电动机定子线圈的感

8、应电动势 U 压差Xs 电源等效电抗,包括线路和前级变压器Xm 电机等效电抗工频电源电压与电动机定子线圈的感应电动势两者之间的夹角 U 就是系统和电动机共同承受的电压。切换瞬间电动机所承受的电压为 Um , Um= U ×Xm/(Xm+Xs。为设备安全考虑,可把电动机所承受的电压控制在 1.2倍电动机 的额定电压(UN ,即Um= U ×Xm/(Xm+Xs 1.2UN取 Xm/(Xm+Xs=0.9则 U 1.2UN /0.9=1.33UN 1.33U如忽略感应电压幅值的变化,则 应小于 83.4°。变频器输出电压起始相位具有随机性,只是保证了相与相之间的电压相位差

9、为 120°。 当其输出频率上升到 50Hz 后,进行变频转工频的切换,如果该时刻变频器的输出正好与工 频电源的相位相差 180°,切除变频后立即投入工频, U 将达到近两倍的工频电压,远远 超过了其允许电压的 1.33倍。 U 过大将产生很大的冲击电流, 直接作用于切换系统和电动 机, 这不但导致切换失败, 甚至可能导致电机和切换系统的损坏。 假设在切换时刻变频器输 出的相位与工频电源是相同的,在图 7中,以 C 为圆心,以 1.33U 为半径绘出 A-B ,其右侧 为投入工频电源的安全区域。这样我们就得到 C-E 、 F-G 、 H 点以后三个安全投入工频电源 的时间范

10、围。图7重新投入电源的安全区域3. 解决方案所有的切换都应保证, 变频器拖动和工频电源拖动电动机的转向应该是一致的。 通过以 上分析可以看出 C-E 、 F-G 、 H 点以后三个安全投入工频电源的时间范围,都是由相位和 幅值共同作用的结果。我们也还可以分别从相位和幅值两个方面入手来寻求解决办法。 方法一:设法降低感应电动势的幅值,待其降到其幅值小于 0.33U 后切入工频。方法二:选择合适的时刻, 在电动机感应电动势的相位与工频电源的相位差值较小的时刻切 入工频电源。 在前面的分析中知道电机承受的电压 Um= U ×Xm/(Xm+Xs。如在回路中串入一电抗承 担一定得电压,使电动机

11、承担的电压在允许范围之内,这样就得到了另一种方法:方法三:在回路中串入电抗,延时后将其短路掉。3.1降低感应电动势的幅值依赖时间的推移来降低电动势幅值的方法是不可取的。 因为随着时间的推移, 转速也在 快速的下降, 转差的增大将不太有利于启动电流的减小。 对图 1的切换控制主电路进行优化, 得到如图 8所示的切换控制主电路 2 。图8切换控制主电路2切换过程如下:(1断开接触器 KM2,切断电动机与变频器之间的联系;(2接通接触器 KM4,为电动机感应电动势提供释放通路;(3断开接触器 KM4;(4接通接触器 KM3,将电动机投入到工频电源上。图 9是 KM4作用对电动势影响对比图。由图 9可

12、以看出, KM4提供通路的作用时间约 为 300ms ,作用后该时刻与一般状态同一时刻的感应电动势幅值相比幅值小了很多。适当 控制 KM4的作用时间,让其幅值减小到额定电压的三分之一以下就可以了。这样,即使切 换至工频电源时刻感应电动势与工频电源的相位相差 180°, U 也不会超出其许可的安全 范围了。在 KM4的作用过程中,会加快电机的转速下降,但通过试验得知, KM4的作用对 电机转速的影响比对感应电动势幅值的影响要显得多。此方法简单易行,安全可靠,成本增加较小,但仍存在不小的电流冲击。通过试验和现场测 试,此种切换方法的冲击电流约为额定电流的 3-5倍。图9KM4作用对电动势

13、影响对比图3.2在回路中串入电抗其电路如图 10所示。 图10切换控制主电路3切换过程如下:(1断开接触器 KM2,切断电动机与变频器之间的联系;(2接通接触器 KM4,在电源与电机间串入 L ;(3接通接触器 KM3,将 L 短路掉,将电动机投入到工频电源上。(4断开接触器 KM4;完成切换通过合理设计的 L 参数,电机分担的电压就可以控制在允许范围之内,顺利完成切换。 此切换方法控制简单,较为安全。但电抗器体积庞大,成本增加较多。冲击峰值较大,但持 续时间短。通过试验和现场测试,此种切换方法的冲击电流峰值约为额定电流的 4-5.5倍。 3.3相位检测该方法应首先保证 KM2的断开时刻变频器

14、的输出与工频电源是同相位的。图 7中 C-E 时间的长短取决于感应电动势频率的变化,而感应电动势的频率是由电机的转速决定的。 断 电后电机及其拖动系统处于自由制动过程。 根据电力拖动原理, 在自由制动过程中, 转速的 基本表达式是: (1式中 :n t秒时刻的转速;n 1 电动机停机瞬间的转速;p 电机拖动系统的机械时间常数,其大小主要和拖动系统的惯性大小有关。按照过渡过程的一般规律,拖动系统的机械时间常数 p 约为系统自由停机时间的三分 之一。 各种系统自由停机的时间是不同的, 有的自由十几秒的时间, 而有的就长达十几分钟 甚至几十分钟。在停机时间较长的系统中,在同相位时刻断开 KM2接通

15、KM3,可以比较容 易的在 C-E 的时刻内完成。因为其时间较长,接触器 KM2、 KM3的动作时间可以忽略。 但 在停机较快的系统中, 必须考虑接触器的动作时间。 接触器的动作时间往往决定着切换控制 的成败。因感应电动势的频率与电机转速是成正比关系, 所以在自由制动过程中, 电动机感应电 动势的基本表达式可依据公式(1写成 :(2式中 :f t秒时刻的转速;f 1 电动机停机瞬间的转速;p 电机拖动系统的机械时间常数由公式曲线分别作出 p=20s、 60s 、 120s 的电动机感应电动势频率衰减曲线, 如图 11所示。图11p=20s、60s、120s 感应电动势频率衰减曲线由图 11可以

16、看出随着时间的推移,感应电动势的相位与工频电源的相位逐渐拉开, p 越小拉开越快, p=20s的 t1时刻仅比初始动作时间推迟了 40ms 的时间,但与工频相比相 位差已经几乎达到了 90°, 这时的 U 就会较大, 有可能造成切换的失败。 但 p=120s的 t1时刻比初始动作时间推迟了 80ms 的时间,与工频相比相位差只有 60°左右, U 就不会超 过工频电源电压, 可以安全的切换。 通过以上分析可知, 该切换方法对停机过程较长的系统 可以比较容易得实现,而停机过程较短的系统就不太适用了。4JD-BP 系列变频 -工频软切换装置山东新风光电子科技发展有限公司在此理论

17、基础上, 开发出了 JD-BP 系列变频 -工频软 切换装置。 该装置运用了提前切换的控制思想, 在大量试验和现场测试的基础上成功解决了 电动机变频与工频的切换问题。 运用该装置的大惯性的切换系统, 在转换瞬间几乎看不到电 流的波动, 电动机及其拖动系统无振动现象。 在降速过程较快的供水系统中切换瞬间的最大 冲击电流的峰值也被控制到了 1.5倍的额定电流以下,取得了令人满意的效果,本装置已被 国家知识产权局评定为实用新型国家专利。现介绍如下:4.1提前切换的目的该装置对通过检测相位的方法进行了完善, 采用在提前动作的方法来弥补接触器动作的 延迟。变频器的输出和工频电源如果都是绝对的 50Hz

18、,那么两者之间的相位差是固定不变 的,这样就谈不上相同相位的时候切换。即使由于两者的误差而引起出现同相位的时刻, 也 会因其随机性太大, 而不能用到实际的控制中。 在实际的应用中, 将变频器的输出频率稍微 调高一些, 这样就可以比较容易地得到它与工频电源同相位的时刻了。 并且在每一个同相位 时刻来临之前, 变频器输出电压的相位总是超前于工频电源相位的。 在该段时间的某一时刻 断开变频器的输出, 则该时刻电动机感应电动势的相位也是超前于工频电源的。 随着切换过 程的推移, 电动机感应电动势的频率逐渐下降, 这样在与工频电源同相位的前后时刻顺利地 投入了工频电源, 从而顺利完成了电动机从变频运行到工频运行的切换。 虽然有些系统中提高电机的转速会对系统产生影响, 但由于频率提升很小,