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針對采用變頻自動化控制系統(tǒng)中，在使用變頻器拖帶慣性負載運行過程、遇到變頻器由工頻供電切換到變頻供電時，產(chǎn)生過大的沖擊電流而損壞變頻器，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作的情況，分析說明、并提出應(yīng)對的解決方法。
1 引言
變頻器、實際就是運動控制系統(tǒng)中的功率變換器，提供可控的高性能變壓變頻交流電源，在自動化控制系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，其中變頻器應(yīng)用最突出的特點有一臺變頻器與電動機組、多臺變頻器與電動機組協(xié)調(diào)運行，共同完成一項生產(chǎn)過程，在控制方式上常用PC、PLC聯(lián)動組網(wǎng)等控制方式，有變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)、也有變頻恒壓泵控系統(tǒng)和風(fēng)機類控制系統(tǒng)等，本文主要講述變頻器在應(yīng)用運行時要注意的問題及解決方法。
2 慣性負載電流對變頻器的沖擊
常用由變頻器拖帶的慣性負載、要通過工頻供電或變頻器的切換調(diào)壓供電，通常的用電負載都是電動機。此時的電動機、在工頻與變頻切換時、電動機的轉(zhuǎn)速不要下降太多。所以切換時間應(yīng)盡量地短;另一方面，還要縮短切換時間，但在切換瞬間，電磁過渡過程遠未結(jié)束，存在著定子繞組的電動勢與電源電壓疊加的問題。即產(chǎn)生大電流的原因十分明顯，如果電動機由原變頻跳變到與工頻電源接通，在切換接通的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢同相，如圖1所示，則切換時將沒有附加的沖擊電流;反之，如果電動機由原工頻跳變到變頻時與電源接通，即在切換接通的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢反相，如圖2所示，則切換時必將產(chǎn)生很大的沖擊電流，在最嚴重的情況下，沖擊電流可接近于直接起動電流的2倍。但沖擊電流的大小與變頻器拖帶慣性負載大小有關(guān)，對不同負載、其具體措施也不相同。
2.1 拖帶大慣性負載時
大慣性負載在自由制動過程中，轉(zhuǎn)速下降較慢，可達數(shù)秒或數(shù)十秒。此時電磁反應(yīng)過渡過程的時間很短，只有1s左右。因此，在電動機從變頻電源上斷開，到接通工頻電源之間的延時，只要調(diào)整到大于1s，就可以“躲開”電磁過渡過程，也就避免了沖擊電流的產(chǎn)生。
2.2 拖帶小慣性負載時
如部分風(fēng)機類和泵控系統(tǒng)的電動機，其自由制動的過程與電磁反應(yīng)過渡過程十分接近，則切換時必須進行相位搜索，以保證在接通工頻電源的瞬間，工頻電源的電壓與定子電動勢處于同相位狀態(tài)(或接近于同相位狀態(tài))，從而避免沖擊電流。
3 差頻同相的提出依據(jù)
對于大慣性負載、其電動機的運行通常由變頻切換在工頻上運行，從圖1看出：電磁反應(yīng)過渡過程的時間TF都較易調(diào)整大于時間TD就可避免了沖擊電流的產(chǎn)生。而風(fēng)機類和泵控類的小慣性負載電動機、要避免沖擊電流過大，就必需將圖2的電源電壓波形與電動機定子繞組電動勢波形調(diào)整到同相位時進行變頻切換到工頻，才能有效防止過大的沖擊電流。而采用“差頻同相”的切換方法，可使切換瞬間最大電流的峰值不超過電動機額定電流的2倍(IM′≤2IMIN)。
4 差頻同相的實施
在變頻器輸出頻率與電源頻率切換時，利于兩者的同相點之間將不斷地作相對移動、從而“捕捉”到同相點。差頻同相的方法既簡單又可靠，但也要對變頻器和慣性負載的切換響應(yīng)有所考慮。
4.1 上限頻率的合理預(yù)置
因為變頻器的輸出頻率與電源的頻率差△?越小，則同相點之間作相對移動的速度就越慢，“捕捉”同相點就越困難。所以，變頻器的上限頻率預(yù)置應(yīng)小于50Hz的某個數(shù)值(如49.5Hz)。這個要求在變頻泵控系統(tǒng)和風(fēng)機類控制系統(tǒng)的工作并不相悖。從節(jié)能的觀點出發(fā)，這兩大類控制系統(tǒng)的預(yù)置時，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(yù)置為49.5Hz或稍高一些是合理的。
4.2 預(yù)置切換的工作過程
當(dāng)變頻泵控系統(tǒng)或風(fēng)機類控制系統(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，控制系統(tǒng)通過控制電路或程序?qū)⑾颉白詣愚D(zhuǎn)換監(jiān)控器”發(fā)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，當(dāng)“捕捉”到同相點時，切換工作即告完成。
4.3 關(guān)于切換時間(100ms)的預(yù)置
由上述的分析、并按所提的預(yù)設(shè)方法，當(dāng)變頻器由工頻切換到變頻時，同相點的跟隨時間都很快。在拖帶風(fēng)機類和泵控系統(tǒng)較大慣性負載時，其沖擊電流沒有出現(xiàn)過大，對較小慣性負載時，其切換跳變非常平穩(wěn)、也沒有出現(xiàn)過大沖擊電流，其峰值電流沒超過電動機額定電流的1.5倍(IM′≤1.5IMIN)。
5 接入限流電抗器
隨著變頻器的廣泛應(yīng)用，變頻器內(nèi)部的保護電路、切換預(yù)置等已越來越完善。如果變頻器本身具有切換功能者，一般都可以實現(xiàn)從工頻運行切換至變頻運行，切換時變頻器將自動進行頻率搜索。對變頻器拖帶慣性負載的應(yīng)用，有內(nèi)預(yù)置也有外置，通過程序的編寫就能達到設(shè)計的目的，如采用PLC可編程控制器PID的調(diào)節(jié)來達到切換的時間響應(yīng)，使變頻器在頻率切換時平穩(wěn)、避免過大的沖擊電流。但要注意的、當(dāng)自行設(shè)計切換電路進行切換時，由于無法起動變頻器的“頻率搜索”功能，故切換時必須有可靠的限流措施，以保護變頻器。經(jīng)過多次的試運行、建議采用的限流措施便是在變頻器和電動機之間接人輸出電抗器XL，在變頻器頻率切換時、電路分別接入KM1與KM2，用KM3接入工頻電源，如圖5所示。由于在工頻運行時接人電抗器會降低功率因數(shù)，故電抗器僅在變頻運行時接人。
6 結(jié)語
通過對多臺設(shè)備的改造及實驗調(diào)試，考慮變頻恒壓泵控系統(tǒng)和風(fēng)機類控制系統(tǒng)在切換運行過程中，響應(yīng)時間沒有太高的要求，切換時間的預(yù)置都較慢些，系統(tǒng)運行相當(dāng)平穩(wěn)，沒出現(xiàn)太大的沖擊電流。在一些自動控制系統(tǒng)拖帶有大小變動的慣性負載、而且要求變頻器切換快速的生產(chǎn)線等設(shè)備，采用上述的方法進行反復(fù)調(diào)試，系統(tǒng)運行避免過大的沖擊電流，有效保護變頻器由工頻電源切換變頻電源的平穩(wěn)切換過程，使系統(tǒng)設(shè)備正常運行。
