低壓供水系統(tǒng)變頻與工頻的切換問題
2013/5/2 10:00:29??????點(diǎn)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(guān)于變頻與工頻切換的問題，頗受到人們的關(guān)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(gè) 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(jìn)行討論。
2 兩種基本的切換方式
變頻運(yùn)行的電動機(jī)切換成工頻運(yùn)行的主電路如圖１所示。切換的基本過程只有2個(gè):
(1) 斷開接觸器ｋｍ２，切斷電動機(jī)與變頻器之間的聯(lián)系;
(2) 接通接觸器ｋｍ３，將電動機(jī)投入到工頻電源上。
根據(jù)上述兩個(gè)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(shí)間內(nèi)使電動機(jī)處于工頻電源和變頻電源同時(shí)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(yīng)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(jìn)行詳細(xì)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(dāng)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(shí)間的并聯(lián)運(yùn)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(diǎn)
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(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管始終處于交替導(dǎo)通狀態(tài)，且交替的頻率高可達(dá)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(yán)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(shè)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(dá)20ms，電壓在70%um(ｕm是電壓的振幅值)以上的時(shí)間也有5ms;
另一方面，6個(gè)逆變管的交替時(shí)間卻是μs級的，以載波頻率為5khz計(jì)，則在5ms內(nèi)，逆變管交替導(dǎo)通的次數(shù)可達(dá)100次。
今假設(shè):在某一瞬間，v3管導(dǎo)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(shí)上，由于逆變管的工作頻率很高，６個(gè)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(jī)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(jī)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(diǎn)間的電弧上，這是物理學(xué)和電工基礎(chǔ)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(zhuǎn)子繞組中存在衰減的直流電流
由于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組是自成回路的，所以，轉(zhuǎn)子繞組的自感電動勢將阻止電流的消失，從而，轉(zhuǎn)子繞組中的電流將有一個(gè)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(zhuǎn)子電流值。
與此同時(shí)，轉(zhuǎn)子電流將產(chǎn)生一個(gè)逐漸衰減的直流 磁場。
(3) 電動機(jī)處于同步發(fā)電機(jī)狀態(tài)
轉(zhuǎn)子是直流磁場，定子是三相繞組，這是同步發(fā)電機(jī)的基本組態(tài)。就是說，轉(zhuǎn)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(yīng)電動勢。
有必，要指出，這和異步電動機(jī)的再，生狀態(tài)(異步發(fā)電機(jī)狀態(tài))是不同的。異步發(fā)電機(jī)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(jī)在切斷電源后，存在著一個(gè)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(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，有2個(gè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)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(shí)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(shí)間常數(shù)
準(zhǔn)確地計(jì)算上述過渡過程的時(shí)間常數(shù)τe是十分困難的。我們作了一個(gè)粗略的實(shí)驗(yàn):
(a) 將三個(gè)功率相同的燈泡(220v,40w)聯(lián)接成ｙ形后和電動機(jī)(電動機(jī)容量為37kw)并聯(lián)，如圖４所示。合上開關(guān)ｑ，令變頻器的輸出頻率上升至50hz，使電動機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行，同時(shí)，燈泡hl將在額定電壓下正常發(fā)光。
(b) 切斷開關(guān)ｑ，同時(shí)接通ｐｌｃ的計(jì)時(shí)器。由于電動機(jī)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(shí)，令plc停止計(jì)時(shí)。由此測出的時(shí)間為(1.77-1.80)s。
又通過實(shí)驗(yàn)知，220v，40w的燈泡 全熄滅時(shí)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(jī)在空轉(zhuǎn)時(shí)慣性很大，2s內(nèi)的轉(zhuǎn)速下降十分有限，故可以粗略地認(rèn)為，上述數(shù)據(jù)基本上表達(dá)了電磁過渡過程的時(shí)間。當(dāng)然，具體數(shù)據(jù)將因電動機(jī)的容量而異，但當(dāng)在同一個(gè)數(shù)量級內(nèi)。
按過渡過程的一般規(guī)律，過渡過程的總時(shí)間約為時(shí)間常數(shù)的3倍。則電磁時(shí)間常數(shù)約在0.6s左右:
τe≈0.6s
(6) 電動勢在不同時(shí)刻的計(jì)算數(shù)據(jù)
按τe=0.6s計(jì)，則由式(1)，定子繞組電動勢在不同時(shí)刻的計(jì)算數(shù)據(jù)如表１所示。
表１ 定子繞組電動勢在不同時(shí)刻的計(jì)算數(shù)據(jù)
上述數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)速的下降過程。根據(jù)電力拖動原理，自由制動過程中，轉(zhuǎn)速的基本表達(dá)式是:
(2)式中: ｎ—ｔ秒時(shí)刻的轉(zhuǎn)速，rpm;
ｎmn—電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，rpm;
τp—供水拖動系統(tǒng)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，s。
時(shí)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(dá))大小有關(guān)。
供水水泵在切斷電源時(shí)，由于水的位能具有阻止水泵繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的作用，如圖5(a)所示。故電動泵的慣性將很快被克服，停機(jī)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(jìn)行測試所得到的數(shù)據(jù)，則切斷電源后的停機(jī)時(shí)間在2.2s以上，較長者甚至超過2min。由此判斷，電動機(jī)在自由制動過程中時(shí)間常數(shù)約在(0.7-1.0)s以上:
τp≥(0.7～1.0)s
其轉(zhuǎn)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(yùn)行切換的特點(diǎn)
(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(yùn)行;當(dāng)用水量增大，變頻器的運(yùn)行頻率已經(jīng)達(dá)到上限頻率(通常等于工頻)時(shí)，如果在確認(rèn)時(shí)間(通常為2-5min)內(nèi)，水壓始終低于“目標(biāo)壓力”時(shí)，則將“１號泵”切換為工頻運(yùn)行。
同時(shí)，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(diǎn)是:在切換瞬間，變頻器的輸出頻率基本上，等于工頻。但因?yàn)橛?jì)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(shí)電磁過渡過程遠(yuǎn)未結(jié)束
根據(jù)式(2)，計(jì)算出供水水泵在不同時(shí)間常數(shù)，不同切換時(shí)間的轉(zhuǎn)速百分?jǐn)?shù)如表2所示。
一般要求:在切換瞬間，電動機(jī)轉(zhuǎn)速以不低于額定轉(zhuǎn)速的８０％為宜。由表２可以看出，滿足此要求的切換時(shí)間，遠(yuǎn)小于電動機(jī)的電磁過渡過程的時(shí)間常數(shù)。
所以， 須考慮定子電動勢和電源電壓的相位關(guān)系。
5.2 相位關(guān)系對切換電流的影響
(1) 定子電動勢e的波形特點(diǎn)
定子電動勢的波形與電源電壓波形之間的關(guān)系如圖６所示。
圖中，電動勢的波形特點(diǎn)如下:
(a) 因?yàn)槎ㄗ与妱觿輊已經(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?yàn)檗D(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)刻。所以，切換控制的關(guān)鍵是如何“捕捉”到定子電動勢與電源電壓的同相點(diǎn)。
6 “差頻同相”的原理與方法
新疆電子設(shè)備廠在開發(fā)“ｂｇ-1電動機(jī)變頻/工頻自動轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”(以下簡稱“自動轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”)時(shí)，提出了“差頻同相”的切換方法，并在進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和測試的基礎(chǔ)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(diǎn)并執(zhí)行切換動作的設(shè)備，可使切換瞬間較大電流的峰值不超過電動機(jī)額定電流的2倍(im'≤2im)，取得了令人滿意的結(jié)果，并通過了鑒定。今介紹如下:
6.1 差頻同相的概念和實(shí)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(diǎn)，將使容易得多。
由于是在頻率不相等的情況下"捕捉"同相點(diǎn)，故稱為差頻同相。
差頻同相的基本出發(fā)點(diǎn)是:當(dāng)變頻器的輸出頻率與電源頻率存在差異時(shí)，兩者的同相點(diǎn)之間將不斷地作相對移動，如圖８所示。這個(gè)特點(diǎn)，十分有利于“捕捉”到同相點(diǎn)。因此，差頻同相的方法可使捕捉同相點(diǎn)的工作更加簡單可靠。
(2)差頻同相的實(shí)施
(a)設(shè)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(diǎn)之間作相對移動的速度越慢，“捕捉”同相點(diǎn)將越困難。
為此，“自動轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”設(shè)置了一個(gè)“頻段陷阱”(50±δf)hz。就是說，“自動轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”要求在切換時(shí)，變頻器的輸出頻率與電源頻率之間應(yīng)該有一個(gè)頻率差δf。這可以通過預(yù)置變頻器的上限頻率來實(shí)現(xiàn)。例如，變頻器的上限頻率預(yù)置為49.6hz，則δf＝0.4hz。
這個(gè)要求和供水系統(tǒng)的工作并不相悖。事實(shí)上，從節(jié)能的觀點(diǎn)出發(fā)，變頻供水時(shí)，工作在50hz是并不可取的。因?yàn)椋瑯舆\(yùn)行在50hz下，變頻運(yùn)行比工頻運(yùn)行時(shí)的功耗要大一些。所以，把變頻器的上限頻率預(yù)置為49.5hz或稍高一些是較好的選擇。
(b) 切換的工作過程
當(dāng)供水系統(tǒng)中變頻器的運(yùn)行頻率達(dá)到上限頻率，并且經(jīng)過確認(rèn)時(shí)間，確認(rèn)需要切換時(shí)，供水系統(tǒng)將向”自動轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”出切換指令。“自動轉(zhuǎn)換監(jiān)控器”在得到指令后立即開始“捕捉”同相點(diǎn)。
當(dāng)“捕捉”到同相點(diǎn)時(shí)，便斷開ｋｍ２，并在延，時(shí)100ms后，接通ｋｍ３，切換工作即告完成。
(3) 關(guān)于切換時(shí)間(100ms)
(a) 轉(zhuǎn)速方面
由表２知，當(dāng)ｋｍ２切斷后100ms的瞬間，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速的86.7%以上，滿足切換轉(zhuǎn)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(gè)整周期;
另一方面,按變頻器的上限頻率為(50-0.5=49.5)hz計(jì)，其周期為20.2ms,又按表２中的較壞情況(τp＝0.7s)計(jì)算，100ms時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為上限轉(zhuǎn)速的86.7%時(shí)，則定子繞組電動勢的周期是23.5ms。這里，周期的大小是隨轉(zhuǎn)速的下降而逐漸增加的。為簡便起見，取5個(gè)周期的平均值20.86ms，5個(gè)周期的總時(shí)間為104.3ms。
就是說，電源電壓與定子電動勢之間，在5個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間差為4.3ms。在第5周期的相位差為:
δφ＝ω·δt＝0.43π＝77.4°。
實(shí)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(diǎn)后，可適當(dāng)增加一個(gè)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(diǎn)。
此外，因?yàn)榈?個(gè)周期t5與工頻電壓的周期t0之間的差別不大，故當(dāng)其中一相的相位對齊時(shí)，其他各相的相位差也不會太大，如圖９所示。
(4) 設(shè)置“頻段陷阱”的注意點(diǎn)
(a) 陷阱寬度:陷阱越寬，則同相點(diǎn)的相對移動速度越快，捕獲率越大，但在第５周期時(shí)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(diǎn)的相對移動速度較慢，捕獲率降低，甚至有可能捕獲不到。實(shí)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(gè)或多個(gè)相位重合點(diǎn)時(shí)，應(yīng)能準(zhǔn)確地分辯出較好的切換點(diǎn)。
(c) 靈敏度:捕捉同相點(diǎn)時(shí) 須解決好捕捉的靈敏度，就是說， 須能夠及時(shí)地捕捉到同相點(diǎn)。
低壓供水系統(tǒng)變頻與工頻的切換問題
