变频器的切换分析与同步控制

侍寿永

（1.江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏 淮安 223003；2.淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003）

变频器的切换分析与同步控制

侍寿永1，2

（1.江苏省电子产品装备制造工程技术研究开发中心，江苏 淮安 223003；2.淮安信息职业技术学院，江苏 淮安 223003）

在变频调速控制系统中，变频器经常需要从变频到工频的切换，切换时机不当会产生很大的电流，该电流对变频器、电动机等设备产生严重的冲击甚至损坏，并对电网产生严重的电磁干扰。在分析切换所产生冲击电流的原因和同步切换原理基础上，提出用同步器实现同步切换，并用PSCAD／EMTDC电磁暂态仿真软件对同步切换进行了仿真。结果表明：用同步器实现的同步切换有效地避免了过大的电流冲击，保证了切换的平稳过渡。

变频器；同步切换；同步器

1 引言

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［1］

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一致时，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。

1）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。

2）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（u∝di／dt，i∝dv／dt），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di／dt，造成功率器件端电压的急剧升高，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］。

2）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1～3s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［4］；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。

3）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［5］。

3 同步切换的原理分析［6］

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，如图1所示。异步电动机在正常工作时，主磁通Φm以同步转速n0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］

从式（2）可以看出，从变频器中输出的工频电压U1和定子绕组中感应电势E1频率相同，而幅值不等，相位也不一致，两者之间存在一个夹角。

当变频器的输出频率达到50Hz后，要求进行变频转工频的切换，假设与电动机定子绕组相对应一相工频电网电压中的一相为U2，它与U1存在相位差θ，如图1所示。切换后，加在电动机绕组上的U2将与电动机定子绕组上感应电动势E1进行叠加，这时电动机每相定子绕组上承受的总电压为U。如果U2与U1的相位差由θ增加到θ′，则电动机每相定子绕组承受的总电压由U增大到U′。当相位差θ增大到与E1同相时，定子绕组承受的总电压为两者之和，此值为最大，这个电压已经远远超过电动机所能承受的额定电压，它将引起电动机电流过大、绝缘受损等诸多严重问题。

图1 电动机变-工频切换矢量图Fig.1 Vector diagram of converting and fundamental frequency switching

从图1中可看出，如果电动机由变频电源切换到工频电源的时机选择在U2和-E1同相时刻，U2和E1相位相反，定子绕组承受的总电压为两者之差，此值为最小，此点为最佳切换点。但是由于E1不断变化，其相位难以检测，故实现较为困难。而工业电网电压U2的相位则较易检测，如果把U2与U1同相位点作为切换时刻，是切换瞬间在定子绕组上产生的电压也是比较小的。如何检测U2和U1的相位，并实现两者差值较小时切换则为本文的重点。

4 同步切换的实现

4.1 锁相控制［8］

锁相控制是利用锁相环路（PLL）实现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。主要有鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO，这里指变频器）3个基本电路组成，其基本组成如图2所示。

图2 锁相环路的基本组成Fig.2 Structure of phase-locked-loop

鉴相器是一个相位比较装置，用来检测输入信号相位θ1（t）与反馈信号相位θ2（t）之间的相位差θe（t）。输出误差信号Ud（t）是相位差信号θe（t）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。

1）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：

式中：He（s）为误差函数，近似为一阶系统。

从式（3）中可以看出，对于工频电网电源频率发生波动时，系统存在稳态相位误差Δω／K，当K（开环增益）选取较大时，产生的稳态相位误差比较小。

2）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：

从式（4）可以看出，对于工频电网相位发生波动时，系统最终能够跟踪，不会产生稳态相位差。

4.2 同步切换的实现

图3为具有同步切换功能的三相交流异步电动机变频启动装置框图。系统用1台变频器实现各电动机软启动，当系统发生故障或需要增加电动机运行台数（即有变频到工频的切换）时，同步器能实现系统平稳切换。

图3 同步切换系统框图Fig.3 Block diagram of synchronous-switching system

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，并在大量实验和测试的基础上得到了验证。

差频同相是让变频器输出频率与工频电源频率之间存在一个差值Δf，两者的同相点之间将不断作相对运动，这一特点特别有利于同相点的“捕捉”。Δf越小，同相点之间相对移动的速度越慢，同相点的“捕捉”将越困难，为此，同步器设置了一个“频段陷阱”，即变频器的输出频率略低于工频电源频率。在工程应用中，变频器工作频率不宜为50Hz，因为同样在50Hz下，变频运行与工频运行时的功耗要大一些，所以将变频器的最大输出频率设置为49.5Hz左右，这正好为“频段陷阱”提供了条件。实践证明：“陷阱宽度”不宜太大或太小，Δf一般取0.5Hz。“陷阱宽度”设置越宽，捕获率越大，产生较大切换电流的可能性也越大；“陷阱宽度”设置越窄，则切换电流越小，但捕获率越低［1］。

当变频器输出频率达到上限值时，并且经过确认时间，确认需要切换时，控制器向同步器发生切换指令，同步器在收到指令后立即开始“捕捉”同相点。当“捕捉”到同相点时，封锁变频器的输出，断开变频接触器，延时最佳时间100ms后［1］，接通工频接触器，实现平稳切换。

5 同步切换的仿真

本文使用PSCAD／EMTDC仿真软件对图3所示的系统进行了仿真，电动机在同步切换时定子电流波形如图4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，在100ms内进行同相点“捕捉”，5.5s时切换到工频电源。

图4 同步切换时电动机定子电流i1的波形Fig.4 Stator current curve of synchronous-switching

从图4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IN，有效避免了切换过程过大的电流冲击，保证了切换过程的平稳过渡。

［1］ 张燕宾.变频与工频的切换问题［J］.自动化博览，2003，20周年纪念文集：166-170.

［2］ 陶权，吴尚庆.变频器应用技术［M］.广州：华南理工大学出版社，2008.

［3］ 俞震华.变频技术对大功率电动机性能影响分析［J］.电工技术，2011（3）：54-57.

［4］ 徐甫荣.变频器同步切换控制技术［J］.电工技术，2002（8）：37-38.

［5］ 尹忠东.变频调速装置抵御电能质量扰动的研究［J］.工业自动化，2007（2）：102-104.

［6］ 赵祥卿，张桂芳.软起动技术在高压电动机控制中的应用［J］.兰州石化职业技术学报，2008，8（3）：26-28.

［7］ 徐建俊.电机与电气控制［M］.北京：清华大学出版社，2004.

［8］ 刘强，冯志华.变频器的同步控制分析［J］.电机与控制学报，2005，9（5）：436-438.

修改稿日期：2012-02-08

Analysis and Synchronous Control of Switching of Variable Frequency Device

SHI Shou-yong1，2

（1.TheEngineeringTechnologyResearchandDevelopmentCenterofElectronic ProductsEquipmentManufacturingofJiangsuProvince，Huaian223003，Jiangsu，China；2.HuaianCollegeofInformationandTechnology，Huaian223003，JiangsuChina）

In the variable frequency control system，the variable frequency device often needs to switch from the converting to fundamental frequency.If the switching time is improper，then great electric current will emerge.The current will make serious impact on or even cause damage to such equipment as variable frequency device，motor，etc.，and will make serious electromagnetic interference with the power grid.Using synchronizer to realize synchronous-switching as well as using the electro-magnetic transient simulation software named PSCAD／EMTDC to simulate synchronous-switching were suggested on the basis of analyzing the reasons for generating impulse current and the principle of synchronous-switching.The result shows that using synchronizer can avoid great electric current impact effectively and ensure the smooth transition of switching.

variable frequency device；synchronous-switching；synchronizer

TM921.52

A

侍寿永（1975-），男，硕士，Email：shishouyong＠126.com

2011-06-21