低壓供水系統(tǒng)變頻與工頻的切換問題
2013/5/2 10:00:29??????點擊：
低壓供水系統(tǒng)變頻與工頻的切換問題
1 引言
近年來，關于變頻與工頻切換的問題，頗受到人們的關注，提出了一些值得討論的問題。尤其在恒壓供水系統(tǒng)中，變頻與工頻的切換問題，已經(jīng)成為一個 須解決好的比較急迫的問題。
由于在供水系統(tǒng)中，變頻與工頻的切換問題具有一，定的特殊性，因此，本文將著重就供水系統(tǒng)的切換問題進行討論。
2 兩種基本的切換方式
變頻運行的電動機切換成工頻運行的主電路如圖１所示。切換的基本過程只有2個:
(1) 斷開接觸器ｋｍ２，切斷電動機與變頻器之間的聯(lián)系;
(2) 接通接觸器ｋｍ３，將電動機投入到工頻電源上。
根據(jù)上述兩個過程的先后順序的不同，而有兩種切換方式:“先投后切”和“先切后投”。
2.1 先投后切
即首先接通接觸器ｋｍ３，在短時間內(nèi)使電動機處于工頻電源和變頻電源同時供電的狀態(tài)。然后再斷開ｋｍ２，切斷變頻電源。
這種方法，須解決好同頻同相檢測的問題。即在通電瞬間，，須做到:
(1) 變頻器的輸出頻率與工頻 相同;
(2) 變頻器各相相電壓的相位也與工頻電壓的相位相吻合。
這種方法在中、高壓變頻器中得到了成功的應用。
2.2 先切后投
即首先斷開接觸器km2，然后再接通ｋｍ３。
在低壓變頻器中，這種方法將是主要的、甚至是唯，一的切換方式。在切換過程中，須解決好從ｋｍ２斷開到ｋｍ３閉合之間的過渡過程問題，本文將對此進行詳細探討。
3 二電平ｐｗｍ變頻器不宜“先投后切”
在供水系統(tǒng)中，低壓(380v)電動水泵占有相當大的比重。而迄今為止，絕大多數(shù)低壓變頻器都采用交－直－交、二電平的脈寬調(diào)制(pwm)方式。這種變頻器在說明書中都明確規(guī)定:禁止變頻器的輸出端與電源相接。而“先投后切”則要求將工頻電源與變頻電源作短時間的并聯(lián)運行，兩者是相悖的。今說明其原理如下:
(1) 二電平pwm變頻器的工作特點
交－直－交、二電平的脈寬調(diào)制(pwm)方式的基本工作過程，是逆變橋每個橋臂的兩個開關管始終處于交替導通狀態(tài)，且交替的頻率高可達100khz以上，這是低壓變頻器的基本工作方式。
(2) 低壓變頻器的輸出端嚴禁與工頻電源相接
如圖２所示，將接觸器ｋｍ接通，使工頻電源與變頻器的輸出端相接。并假設在ｋｍ接通瞬間，工頻電源處于ｌ１為“＋”、ｌ２為“－”的狀態(tài)，則:
一方面，由于工頻電源的周期長達20ms，電壓在70%um(ｕm是電壓的振幅值)以上的時間也有5ms;
另一方面，6個逆變管的交替時間卻是μs級的，以載波頻率為5khz計，則在5ms內(nèi)，逆變管交替導通的次數(shù)可達100次。
今假設:在某一瞬間，v3管導通，則由圖可以看出，由于各逆變管旁邊都反并聯(lián)二極管的緣故，l1與l2之間將被短路，逆變管v3將立即損壞。事實上，由于逆變管的工作頻率很高，６個逆變管將全部損壞。
因此，在二電平ｐｗｍ變頻器中是不允許采用“先投后切”這種方法的。
4 電動機切斷電源后的過渡過程
4.1 切斷電源后的電磁過渡過程
(1) 定子繞組的自感電動勢立即消失
ｋｍ２斷開后，電動機定子繞組中的電流及其磁場將立即消失，其能量消耗在ｋｍ２斷開瞬間觸點間的電弧上，這是物理學和電工基礎的常識。因此，定子繞組的自感電動勢將隨著磁場的消失而消失。
(2) 轉子繞組中存在衰減的直流電流
由于電動機的轉子繞組是自成回路的，所以，轉子繞組的自感電動勢將阻止電流的消失，從而，轉子繞組中的電流將有一個逐漸衰減的過程，它不再交變，其初始值取決于接觸器ｋｍ２斷開瞬間的轉子電流值。
與此同時，轉子電流將產(chǎn)生一個逐漸衰減的直流 磁場。
(3) 電動機處于同步發(fā)電機狀態(tài)
轉子是直流磁場，定子是三相繞組，這是同步發(fā)電機的基本組態(tài)。就是說，轉子的直流磁場被定子繞組所切割，并在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢。
有必，要指出，這和異步電動機的再，生狀態(tài)(異步發(fā)電機狀態(tài))是不同的。異步發(fā)電機發(fā)電的充要條件，是定子繞組 須和電源相接，以得到勵磁電流。而在ｋｍ２斷開后，定子繞組是開路的。
總之，異步電動機在切斷電源后，存在著一個處于同步發(fā)電狀態(tài)的電磁過渡過程。
(4) 過渡過程中，電動勢的初始值
異步電動機在正常運行時，有2個基本情況:
(a) 根據(jù)電動勢平衡方程，定子繞組反電動勢的有效值是和電源電壓十分接近的;
(b) 根據(jù)磁動勢平衡原理，轉子電流的磁動勢和定子電流的磁動勢也是十分接近的。
按照能量不能躍變的原理，在ｋｍ２剛斷開的瞬間，轉子電流的磁動勢和磁通必將維持原值。所以，定子繞組電動勢的初始值e0也必將和電源電壓十分接近。
在電磁過渡過程中，定子繞組電動勢的衰減方程如下:
(1)式中: e—定子繞組電動勢在ｔ秒時的有效值，ｖ;
ｅ0—定子繞組電動勢的初始有效值，ｖ;
τe—切斷電源后的電磁時間常數(shù)，ｓ;
e—自然對數(shù)的底數(shù)。
定子電動勢的衰減曲線如圖３所示。
(5) 電磁過渡過程的時間常數(shù)
準確地計算上述過渡過程的時間常數(shù)τe是十分困難的。我們作了一個粗略的實驗:
(a) 將三個功率相同的燈泡(220v,40w)聯(lián)接成ｙ形后和電動機(電動機容量為37kw)并聯(lián)，如圖４所示。合上開關ｑ，令變頻器的輸出頻率上升至50hz，使電動機在額定轉速下空載運行，同時，燈泡hl將在額定電壓下正常發(fā)光。
(b) 切斷開關ｑ，同時接通ｐｌｃ的計時器。由于電動機處于發(fā)電狀態(tài)的原因，燈泡hl將繼續(xù)發(fā)光，但必將逐漸變暗，到燈泡ｈｌ 全熄滅時，令plc停止計時。由此測出的時間為(1.77-1.80)s。
又通過實驗知，220v，40w的燈泡 全熄滅時的電壓約為7v。考慮到電壓越低，衰減越慢。因此推斷，總的過渡過程約在2s以上。由于電動機在空轉時慣性很大，2s內(nèi)的轉速下降十分有限，故可以粗略地認為，上述數(shù)據(jù)基本上表達了電磁過渡過程的時間。當然，具體數(shù)據(jù)將因電動機的容量而異，但當在同一個數(shù)量級內(nèi)。
按過渡過程的一般規(guī)律，過渡過程的總時間約為時間常數(shù)的3倍。則電磁時間常數(shù)約在0.6s左右:
τe≈0.6s
(6) 電動勢在不同時刻的計算數(shù)據(jù)
按τe=0.6s計，則由式(1)，定子繞組電動勢在不同時刻的計算數(shù)據(jù)如表１所示。
表１ 定子繞組電動勢在不同時刻的計算數(shù)據(jù)
上述數(shù)據(jù)與實驗結果基本相符。
4.2 切斷電源后的自由制動過程
所謂自由制動過程，就是在沒有 制動措施的情況下，斷電后拖動系統(tǒng)轉速的下降過程。根據(jù)電力拖動原理，自由制動過程中，轉速的基本表達式是:
(2)式中: ｎ—ｔ秒時刻的轉速，rpm;
ｎmn—電動機的額定轉速，rpm;
τp—供水拖動系統(tǒng)的機械時間常數(shù)，s。
時間常數(shù)τp的大小主要和拖動系統(tǒng)的慣性(用飛輪力矩ｇｄ2表達)大小有關。
供水水泵在切斷電源時，由于水的位能具有阻止水泵繼續(xù)旋轉的作用，如圖5(a)所示。故電動泵的慣性將很快被克服，停機十分迅速。據(jù)筆者所親歷的情況以及不少讀者和用戶協(xié)助進行測試所得到的數(shù)據(jù)，則切斷電源后的停機時間在2.2s以上，較長者甚至超過2min。由此判斷，電動機在自由制動過程中時間常數(shù)約在(0.7-1.0)s以上:
τp≥(0.7～1.0)s
其轉速變化曲線如圖5(b)所示。
5 對切換控制的要求
5.1 供水系統(tǒng)運行切換的特點
(1) 變頻器在切換前的工作頻率接近于工頻
在多泵供水系統(tǒng)中，常常采用由一臺變頻器控制多臺水泵的方案。通常稱為“1拖ｘ”(由1臺變頻器控制x臺水泵)。
“1拖ｘ”的工作情況是:首先由變頻器控制“1號泵”運行;當用水量增大，變頻器的運行頻率已經(jīng)達到上限頻率(通常等于工頻)時，如果在確認時間(通常為2-5min)內(nèi)，水壓始終低于“目標壓力”時，則將“１號泵”切換為工頻運行。
同時，變頻器的輸出頻率迅速降為0hz，并切換至“2號泵”，使“2號泵”變頻起動，以此類推。
因此，其切換特點是:在切換瞬間，變頻器的輸出頻率基本上，等于工頻。但因為計量上有差異的原因，以及電源頻率也可能有波動，因此，絕，對相等是很難出現(xiàn)的。
(2) 切換時電磁過渡過程遠未結束
根據(jù)式(2)，計算出供水水泵在不同時間常數(shù)，不同切換時間的轉速百分數(shù)如表2所示。
一般要求:在切換瞬間，電動機轉速以不低于額定轉速的８０％為宜。由表２可以看出，滿足此要求的切換時間，遠小于電動機的電磁過渡過程的時間常數(shù)。
所以， 須考慮定子電動勢和電源電壓的相位關系。
5.2 相位關系對切換電流的影響
(1) 定子電動勢e的波形特點
定子電動勢的波形與電源電壓波形之間的關系如圖６所示。
圖中，電動勢的波形特點如下:
(a) 因為定子電動勢e已經(jīng)有所衰減，所以，電動勢的振幅值低于工頻電壓的振幅值;
(b) 因為轉子的轉速也已經(jīng)有所降低，故電動勢的周期大于工頻電壓的周期。
(2) 切換時刻對切換電流的影響
十分明顯，如果在km3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢同相，如圖6(a)所示，則切換時將沒有電流沖擊;反之，如果在km3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢反相，如圖6(b)所示，則切換時必將形成很大的沖擊電流。
因此，只有在定子電動勢與電源電壓同相的瞬間，才是切換的較好時刻。所以，切換控制的關鍵是如何“捕捉”到定子電動勢與電源電壓的同相點。
6 “差頻同相”的原理與方法
新疆電子設備廠在開發(fā)“ｂｇ-1電動機變頻/工頻自動轉換監(jiān)控器”(以下簡稱“自動轉換監(jiān)控器”)時，提出了“差頻同相”的切換方法，并在進行了大量實驗和測試的基礎上，成功地解決了變頻與工頻的切換問題，生產(chǎn)出了專門用于捕捉較好切換點并執(zhí)行切換動作的設備，可使切換瞬間較大電流的峰值不超過電動機額定電流的2倍(im'≤2im)，取得了令人滿意的結果，并通過了鑒定。今介紹如下:
6.1 差頻同相的概念和實現(xiàn)
(1) 差頻同相的概念
要使變頻器的輸出頻率與電源的工頻頻率全相同，是十分困難的。如果在兩者的頻率之間保留一，定差值(δf)的情況下“捕捉”同相點，將使容易得多。
由于是在頻率不相等的情況下"捕捉"同相點，故稱為差頻同相。
差頻同相的基本出發(fā)點是:當變頻器的輸出頻率與電源頻率存在差異時，兩者的同相點之間將不斷地作相對移動，如圖８所示。這個特點，十分有利于“捕捉”到同相點。因此，差頻同相的方法可使捕捉同相點的工作更加簡單可靠。
(2)差頻同相的實施
(a)設置“頻段陷阱”圖7表明，變頻器與電源的頻率差越小，則同相點之間作相對移動的速度越慢，“捕捉”同相點將越困難。
為此，“自動轉換監(jiān)控器”設置了一個“頻段陷阱”(50±δf)hz。就是說，“自動轉換監(jiān)控器”要求在切換時，變頻器的輸出頻率與電源頻率之間應該有一個頻率差δf。這可以通過預置變頻器的上限頻率來實現(xiàn)。例如，變頻器的上限頻率預置為49.6hz，則δf＝0.4hz。
這個要求和供水系統(tǒng)的工作并不相悖。事實上，從節(jié)能的觀點出發(fā)，變頻供水時，工作在50hz是并不可取的。因為，同樣運行在50hz下，變頻運行比工頻運行時的功耗要大一些。所以，把變頻器的上限頻率預置為49.5hz或稍高一些是較好的選擇。
(b) 切換的工作過程
當供水系統(tǒng)中變頻器的運行頻率達到上限頻率，并且經(jīng)過確認時間，確認需要切換時，供水系統(tǒng)將向”自動轉換監(jiān)控器”出切換指令。“自動轉換監(jiān)控器”在得到指令后立即開始“捕捉”同相點。
當“捕捉”到同相點時，便斷開ｋｍ２，并在延，時100ms后，接通ｋｍ３，切換工作即告完成。
(3) 關于切換時間(100ms)
(a) 轉速方面
由表２知，當ｋｍ２切斷后100ms的瞬間，電動機的轉速在額定轉速的86.7%以上，滿足切換轉速不低于80%ｎmn的要求;
(b) 相位方面
一方面,100ms是電源電壓的５個整周期;
另一方面,按變頻器的上限頻率為(50-0.5=49.5)hz計，其周期為20.2ms,又按表２中的較壞情況(τp＝0.7s)計算，100ms時，電動機的轉速為上限轉速的86.7%時，則定子繞組電動勢的周期是23.5ms。這里，周期的大小是隨轉速的下降而逐漸增加的。為簡便起見，取5個周期的平均值20.86ms，5個周期的總時間為104.3ms。
就是說，電源電壓與定子電動勢之間，在5個周期內(nèi)的時間差為4.3ms。在第5周期的相位差為:
δφ＝ω·δt＝0.43π＝77.4°。
實際上，在大多數(shù)情況下，τp的數(shù)值都大于0.7s，δφ的值 要小得多。
為了減小δφ，在“捕捉”到同相點后，可適當增加一個提前量，如圖８所示。則在切換瞬間(ｋｍ３閉合的瞬間)，將十分接近于同相點。
此外，因為第5個周期t5與工頻電壓的周期t0之間的差別不大，故當其中一相的相位對齊時，其他各相的相位差也不會太大，如圖９所示。
(4) 設置“頻段陷阱”的注意點
(a) 陷阱寬度:陷阱越寬，則同相點的相對移動速度越快，捕獲率越大，但在第５周期時的相位差越大，可能產(chǎn)生較大切換電流的可能性也越大;反之，陷阱越窄，則切換電流越平穩(wěn)，但由于同相點的相對移動速度較慢，捕獲率降低，甚至有可能捕獲不到。實踐表明，陷阱寬度δf=±0.5ｈｚ是比較適宜的。
(b) 分辨率:如果在陷阱區(qū)間內(nèi)，出現(xiàn)兩個或多個相位重合點時，應能準確地分辯出較好的切換點。
(c) 靈敏度:捕捉同相點時 須解決好捕捉的靈敏度，就是說， 須能夠及時地捕捉到同相點。
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