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交流变频调速的切换控制技术
 

1、“冷”切换

电机在停止运行时，将电机的驱动电源由变频器切换到主电源，或者由主电源切换到变频器。这种方式为简单，只要增设两个适当容量的断路器或接触器即可，切换过程可以手动也可由PLC控制。

2、异步切换

这种方式一般只用于功率较小的低压变频驱动。当电机在变频器的控制下，转速达到额定值，变频器输出电压的频率与电网频率（50Hz）一致时，将电机从变频器驱动切换到主电源驱动。由于电机容量比电网小很多，切换过程对电网影响可忽略。但是必须防止切换时电网电压对变频器功率器件的冲击，以免造成变频器跳闸或器件损坏。

3、同步切换

当电机功率较大（一般100KW以上），尤其是高压变频器切换时，切换过程不仅要求变频器输出的电压和频率与电网一致，而且两者的相位也必须相同。如果相位差较大，会造成对电网和变频器双方的冲击，不仅达不到软起动的效果，还会影响电网上其他设备的正常工作并损坏变频器。严重的情况出现在变频器输出电压与电网电压的相位差为180°时，电机的反电势将与电网电压叠加，造成很大的电压冲击和过电流。同步切换技术对异步电机和同步电机又有所不同。

本文将结合作者在变频调速项目中的实践，对不同情况下的切换控制技术作以具体使用的阐述。

二、小功率变频器的异步切换

图1所示的系统用于新疆某棉花加工厂四台风机组成的一个工序中，四台电机的功率均为55KW，变频器（VFD）通过接触器K11、k21、k31、k41分别控制控制四台电机；同时接触器K12、k22、k32、k42又分别将电机连接至主电网（见图1）。变频器可以对四台电机中任一台实行软起动，在起动到额定转速后将其切换到主电源。

图1 变频器一控四的异步切换

以电机M1为例，首先K11闭合，风机由变频器恒流起动，当到达50Hz同步转速后，K11断开，K12吸合，电机M1转由电网供电。以此类推。变频器继续起动其他电机。如果某台电机需要调速，可安排到后起动，不再切换至电网，由变频器驱动调速。

本系统的切换中，对变频器的保护是切换控制可靠运行的关键。系统中分别采用了硬件和软件的双重保护。系统采用日本安川公司的变频器VS616G5，在硬件连锁中，充分利用了安川变频器的多机能输入、输出接点。起动过程中，首先判别变频器是否有零功率信号，以次保证电机必须由零功率开始升速。为减少电流冲击，必须在达到50Hz时才可切换至电网。K11断开时，必须首先保证变频器没有输出，K11断开后，才能闭合K12，K11和K12不可同时闭合。控制过程可用PLC执行，通过PLC程序实现软件连锁。

三、高压异步电机变频起动的切换

图2 高压异步电机变频启动的切换

图2是ROSS HiLL公司的高压变频器用于泰国某大型泵站抽水系统的切换控制线路，两台变频器（6000V，1800KW）互为热备，对八台水泵电机进行起动和切换控制。由于是高压大功率电机，所以变频器在低速下的起动力矩和达到额定转速后的工频同步切换技术是关键，ROSS HILL的VFD变频装置具有这方面的成熟技术和线路。具体起动和切换过程如下：

1、选择用来起动的变频器，如变频器VFD1。

2、选择应起动的电机（如电机M1），选择过程可由工人或自动作出，由上位机将选中信号发送至变频器VFD。

3、从VFD1和VFD2种选择一台准备运行（如选择VFD1）。

4、VFD1闭合其连至V总线的接触器K01。

5、VFD1闭合被选电机M1的起动接触器K21（此时主线接触器K11必须处在常开的位置）。

6、VFD1开始以低频（2HZ）低幅值交流电流提供给电机，由于电机静止，相对于同步转速下的50Hz，电机具有普通异步电机的4%滑差下的特性。

7、由于异步电机的转矩和电流均正比与滑差，VFD将在预设的加速度下增加提供给电机的起动电流，当电机力矩超过水泵的静态阻力矩后，电机开始旋转。

8、电机在VFD的控制下线性加速，直至达到电机的额定转速、额定电压和频率（50Hz）。加速时，电机的压频比V/f=6600/50=132保持不变。这使电机保持在规定的定子磁通密度下运行、避免电机的电磁饱和，维持超过的起动力矩。

9、当电机频率和电压达到额定值后不再改变，此时电机的驱动力矩与负载力矩达到平衡，而连接在V总线上的电机电压的频率与电源（L总线）的频率相等，但相位不一定相同，电机进入同步控制阶段。

10、在断开的接触器K11两端的电压是电机电压和主线电压相位关系的指示。当电机电压与主线电压同相时，端电压取两者的差值，为小值；当电机电压与主线电压反相时，端电压取两者之和，为大值。电机电压相位与主线电压相位的关系可以通过电机转距的微小变化作瞬间调整，前移或后移。电机转距的瞬时减小造成电机速度的减小，因为此时电机驱动转距小于负载阻力矩；反之亦然。

11、在电机电压和主线电压相位相同的瞬间，主线接触器K11的端电压为小值，此时控制该接触器闭合，然后使起动接触器K21断开，于是电机由VFD驱动变为主线驱动。

12、VFD1停止输出，频率降到零，准备起动下一台电机。

应当指出，上述所有过程由VFD在接到上级机发来的电机起动信号后自动进行，起动过程中不需人为干预。

该系统一般只用于电机的软起动，一般无需用于停止，停止只要从主线上直接断开接触器即可。系统可选择一台电机作调速控制。此时，该电机放在后起动，并且不再切换到主电源。

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