一种简单的变频切换工频防冲击电流的方法及其应用

张春辉，高彦生

（1.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092；2.中原环保股份有限公司，河南 郑州 450009）

0 引言

变频器以其特有的优越性在市政工程中得到了广泛应用。大多数情况下，某一台泵（水泵、风机）变频无法达到工艺要求，需要几台水泵或风机都能实现变频运行。为了节省投资，许多业主都会选择一台变频器连接多台水泵的方式，即变频器先带一台工作，当水泵达到全速，仍未达到工艺需求时，将该水泵切换到工频，并启动第二台水泵，直至满足工艺需求。本文从研究电动机变频转工频时的工况入手，对目前采用的同相转换进行了分析，提出一种延时转换加改变整定参数的解决方案,并在实践中得到运用。

1 变频转工频时电动机的情况分析

当电动机退出变频电源后，定子开路，其外接端电压瞬时变为零，转子电流就作为励磁电流产生气隙磁通。由于转子因惯性继续旋转，旋转的磁通会在定子绕组中感应出电势，其时电机处于发动机状态。由于电机失电降速，其电机感应电势与电源电压的相位不再同步，此时合上工频电源，两者相位不同，最不利时甚至相反，便会从而产生很大的冲击电流，造成电机及设备的损伤。因此，在变频转工频时，应采取减小冲击电流的措施。

2 变频/工频的转换方式

2.1 同相转换

由分析可知，如果接上工频电源时的电源电压与电机感应电势同相位，则可避免产生较大的冲击电流，因此，利用“频率相位检测器”实现同频同相合闸，是目前流行的变频转工频的方法。其“同频同相检测加上同步切换”系统是由“ 采样—鉴相—变频器”组成的锁相闭环监控系统，在变频/工频同频后，由鉴相器比较出一暂态相位差信号，用该信号反复来调整变频器的输出参数，使变频/工频的稳态相位最后趋于一致，然后采用先投后切(又称“同步切换”)的顺序实现电动机变频与工频之间的转换[1]。

这种“同频同相检测加上同步切换”的方法也存在一些不足:

（1）变频转工频时采用先投后切的方式，而变频器的输出电压是根据电动机的额定电压参数设定的，当电网电压过高或过低时，即便是同频同相的条件已满足,但同幅不一定满足。如果鉴相器不具备鉴幅功能，电网电压过高时进行变频/工频转换，就会使变频器损坏；电网电压过低时转换，会使变频器输出过流，冲击供配电系统。

（2）调频同相检测系统是对具体的变频器的硬件进行调整实现闭环控制的，所以厂家生产的同步切换装置只能与自己生产的变频器或按自己要求指定生产的变频器配套使用，即不具有通用性。

（3）价格昂贵，经济性差。

针对上述的主要不足，近两年出现了“差频同相检测加上异步切换”系统，它是根据负载情况用软件程序设计一个合适的频段。该频段是指偏离工频的一个范围（即“差频”），在该范围内电动机等待着同相的转换时机而进行转换。只要设定好频段的大小、灵敏度与选择性3个技术参数，就能指导系统快速、平稳地进行先切后投（又称“异步切换”）。

由于是先切后投，因此使用时不受电网电压过高或过低的影响。同时，由于“差频同相检测”采用开环控制，控制单元与变频器是非接触式的(“同频同相检测”是闭环控制，控制单元与变频器是接触式的)，因此具有较大的通用性。但是，由于价格高，加上参数设置需要一定的经验，所以实际使用该装置的情况不是很多。

2.2 延时转换

如果在变频转工频时使定子感应电势大大减少，甚至等于零之后再合闸接上工频电源，显然能避免过大的电流冲击，延时转换就是根据这个理由提出来的[2]。由电机学的知识可知，三相异步电动机定子每相电势：

式中：E1为定子绕组的感应电势；W1为定子每相绕组串联匝数；kw1为定子绕组系数；5m为每极气隙磁通；f1=f2/s定子频率，f2为转子频率100%为电机转差率，n0为电机同步转速，n为电机同步转速。

在短时间的转换阶段，转子的转速n与频率f2变化小，那么f1变化小，在变频断电后，由转子电流产生的气隙磁通:

式中：E1为定子绕组的感应电势；S=L2/R2为电磁时间常数。

由于笼型电机的转子电感很小，则S很小。由式（2）可知，5m将随时间快速衰减；由式（1）可知，E1也迅速减少，一般经过3～5S后E1就几乎等于零。如果此时再合闸接上工频电源，不仅冲击电流不会过大，而且冲击时间极短。

3 实例应用

某污泥项目在最终运行调试阶段发现，当第一台冷却水泵经变频启动时一切正常，而在切换第二台水泵时上级开关瞬间跳闸。经现场查看，业主为节省成本将原有一控一的两台水泵改为一控二，控制原理如图1所示。

图1 冷却水泵一空二原理图

经分析，若采用相位分析加切换装置来解决问题显然违背变频器一控二节省投资的初衷，故采用延时转换的方法。

延时转换的方法关键在于延迟时间的控制，因为延迟时间过长，虽然会避免较大的冲击电流，但同时会导致电机转速降低过多，切换成工频时相当于电机变为直接启动，变频器就失去了降低启动电流的功能。

因此，本文提出可将变频器上级断路器短路短延时调至一般情况下的1.5倍，同时利用PLC控制接触器的投切来精确控制切换的时间，可选择在电机转速降低到一半的时候切换到工频，这样既可保证冲击电流不会太大，也使变频器的启动功能得到了一定的发挥。

4 结语

采用延时转换，所用设备少，经济性好。本文提出的利用PLC控制延迟时间并结合调整断路器参数方法可以在经济性和功能性之间找到一定的平衡，实践证明具有一定的实用性。