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变频-工频切换过程中冲击电流产生原因及防范措施

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ELECTRIC DRIVE 2011 Vo1.41 No.8 电气传动 2011年 第41卷 第8期 变频一工频切换过程中冲击电流产生 原因及防范措施 王丁磊,郭涛 (安阳师范学院计算机与信息工程学院,河南安阳455002) 摘要:分析了流体类机械设备在变频一工频切换过程中出现的电流冲击现象,发现造成电流冲击最重要的 原因并不是相差造成的,而是转速不匹配造成的。通过分析找到防止和降低电流冲击的方法,即通过设置合 适的切换时间,保证切换前后的转速差,设置多重互锁等方法可以保证变频和工频间切换的平稳和可靠。实 验表明通过设置合适的切换时间切换前后的转速,可以保证切换过程没有明显的电流冲击现象发生,切换过 程平稳。 关键词:变频一工频切换;电流冲击;切换时间;转速匹配 中图分类号:TG156 文献标识码:A Causes and Preventive Measures of Rush Current During the Switching of Variable Frequency and Industrial Frequency WANG Ding—lei,GUO Tao (School of Computer and Information Engineering,Anyang Normal University, Anyang 455002,Henan,China) Abstract:The phenomenon of the current impact in the equipment of fluid during the transform between variable frequency and industrial frequency was analyzed.The most important reason of the current impact is not the phase offset,but the unmatched of rotate speed.The preventive and reduce measures of current impact were found through analyzing.Such as setting the appropriate switching time,ensure the difference of rotate speed before and after switching,interlocking set,etc.can ensure the smooth and reliable during the switching of variable frequency and industrial frequency.It can be ensured that no significant current impact phenomenon OCCURS and the switching process is smooth by setting the appropriate rotate speed of fore—‘and——aft through experiments. Key words:switching between variable frequency and industrial frequency;current impact;switching time; rotate speed matching 1 引言 对于通风机、鼓风机、水泵、油泵等流体类机 械,其负载往往是变化的,为保证流体输出压力恒 定和节能,一般都是通过变频控制来实现的。而流 \ 羲 辏 最佳 工作区 ● 体类机械设备的工作效率与转速有关,如果转速不 在最佳范围内,会导致效率过低。如图1所示。 而设备的负载往往有一个变化很大的范围, 为使设备工作在较高效率范围内,实际工作中经 常使用多台小功率泵并联运行,根据负载的实际 情况,采用一台变频器拖动多台电机的控制方案, 基金项目:河南省科技攻关项目(20091177) 作者简介:王丁磊(1970一),男,硕士,副教授,Email:ayewdl@163.aom 图1 电机一泵系统的最佳工作区 Fig.1 The best work area of motor and pump system 不但可以满足负载高峰、低谷、平峰的恒压输出要 求,并且可以避免选用大功率变频器及泵机组,从 15 电气传动 2011年 第41卷 第8期 王丁磊,等:变频一工频切换过程中冲击电流产生原因及防范措施 而可以节约投资;同时,在一台电机或泵损坏后, 可以直接将其切除进行维修,不影响其它电机或 泵的正常运行。 采用一台变频器拖动多台电机这种控制方案 会产生变频一工频切换的问题,如果变频一工频切 换时间设定不当,容易产生诸如电流冲击、跳闸和 电机转速过渡不平稳等一系列问题。文献[1]只 是对PLC如何通过网络实现对多变频器的控制, 对单变频器如何实现多电动机控制没有提及。文 献[2]只是对硬件部分做了描述,没有对变频一工 频切换时间进行说明。文献[3]只是对变频器和 多电动机的接线和多电动机的转速匹配进行了讨 论,没有提及单变频器对多电动机的控制。文献 [4]只是列出切换的步骤,并没有对产生原因做深 层次的分析。文献[5]对软切换技术进行了理论 上的分析,从理论上找到了切换的最佳时间点,但 没有进行工程应用分析。文献[6]和文献[7]对转 换的电压、频率的变化进行了较为详细的分析,对 产生冲击的原因也进行了分析,但文中提到的“差 频同相”技术在工程中难以实现。文献E83在研究 异步电机最小损耗控制算法和流量、水压与水泵 转速的关系基础上,建立了基于异步电机效率优 化的变频供水闭环控制系统,但没有提及变频和 工频间切换的问题。我们用常见的供水设备(典 型的流体类设备)作为研究对象,对其在变频和工 频的切换过程中电流冲击产生的原因及防范措施 进行分析。 2 变频和工频切换的原理 变频恒压供水系统的工作原理是根据用户用 水量变化自动调节运行水泵台数和一台水泵转 速,使水泵出口压力保持恒定。变频恒压供水系 统当用户用水量小于一台水泵工频工作的出水量 时,控制系统根据用水量的变化对一台水泵电机 进行变频调整运行,当用水量增加时管道系统内 压力下降,这时压力传感器把检测到的信号传送 给微机控制单元,通过微机运行判断,给变频器发 出信号,提高水泵电机转速,以保证系统压力不 变,反之当用水量减少时,使水泵转速减慢,以保 持恒压;当用水量大于1台泵出水时,第1台泵切 换到工频运行,同时第2台泵开始变频调速运行, 增加供水量,保证用水压力恒定;当用水量大于2 台泵出水量时,第3台泵开始变频调速运行,保证 供水压力的恒定;最终可能3台泵全部进入工频 】6 运行,达到最大供水量。反之,当用水量减少时, 整个过程和上述情况相反。在整个运行过程中, 变频恒压供水系统始终保持系统恒压不变,使水 泵始终工作在高效区,既保证用户恒压供水,又节 省电能。其工作原理如图2所示。切换过程见表 1和表2。 凼I I I I l I l l I ll I …,… KM, KM‘ 图2系统工作原理图 Fig.2 The working principle of system 表1用水量增加时泵的运行状态切换囊 Tab.1 The switch table of pump states when water supply increased 用水量/% 1号泵 z号泵 3号泵 ≤33 变频运行 停止 停止 33~66 工频运行 变频运行 停止 ≥66 工频运行 工频运行 变频运行 表2用水量减少时泵的运行状态切换裹 Tab.2 The switch table of pump states when water supply decreased 用水量/% 1号泵 2号泵 3号泵 ≥66 工{璇运行 工狈运行 燹碾运-仃 33~66 工频运行 变频运行 停止 ≤33 变频运行 停止 停止 3 电流冲击产生原因的分析 在切换过程中有如下2个问题需要考虑。 1)从电动机停车所产生的感应电动势角度来 看,我们希望切换时间应尽量延长,这样可以减小 切换时电动机自由停车时产生的感应电动势和工 频电压因相位不同而造成的电流冲击,三相异步 电动机断电的瞬间定子中的电动势E和电源电 动势非常接近,在电磁过渡过程中定子绕组电动 势的衰减方程为 E=Ei×e一 (1) 式中:E为定子绕组电动势的有效值;Ei为定子 绕组电动势初始有效值IrE为电磁时间常数。 由文献E91我们知道,供水设备上采用的电机 功率一般在4.0~15 kW之间,其电磁时间常数 在125 ̄532 ms之间,利用式(1)可以计算出不 王丁磊,等:变频一工频切换过程中冲击电流产生原因及防范措施 电气传动 2011年 第41卷 第8期 同时间常数的电动机在不同时刻的感应电动势E 和初始时刻的电动势Ei之比(E/Ei),如表3 7"/t—r/MN×e— (2) 式中: 为电动机转速; 为电动机断电后的初 所示。 表3感应电动势E和初始时刻的电动势E.之比( ) Tab.3 The ratio of induced el.ectromotive force E and electromotive force Ei 时间常数 自由停车时间/s r£/ms 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 125 44.9 2O.2 9.1 1.8 0.0 0.0 0.0 225 64.1 41.1 26.4 10.8 1.2 0.0 0.0 32 73.2 53.5 39.2 21.0 4.4 0.2 0.0 48 81.2 65.9 53.5 35.3 12.5 1.6 0.2 532 82.9 68.7 56.9 39.1 15.3 2.3 0.4 根据实际工作经验,只要剩余的感应电动势 E和初始时刻的电动势Ei之比(E/Ei)小于 5O%,切换过程的电流冲击就不会太大。定子电 动势的衰减曲线如图3所示。 250 200 毒 。 100 50 0 图3 电动机自由停车时产生的感应电动势 Fig.3 The motor s induced electromotive force when shut down 随着电动机转速的下降,感应电动势的振幅 和频率都在下降,图3不能表达出频率的下降,图 4不但可以描述振幅的下降,也能描述频率的 下降。 图4感应电动势振幅和频率随时间的变化曲线 Fig.4 The change between induced electromotive force and frequency follow the time 2)从电动机即将按照工频电源进行工作这个 角度来看,我们希望切换时间尽量缩短,这样可以 保证工频电源切入后不会造成过大的启动电流。 自由停车状态下电动机的转速变化取决于电动机 和水泵构成系统的机械时间常数,其表达式如下: 始转速;r 为机械时间常数。 电动机和水泵组成的系统中,当水泵切断电 源时,由于水的势能很大,电动机的转速下降较 快,为防止电动机转速下降过多(一般控制在额定 转速的75 以上[6 ),应将切换时间尽量缩短,这 样可以保证工频电源切人后不会造成过大的启动 电流。根据式(2)可以求得电动机带负载水泵后 不同时刻的转速占额定转速的百分比,如表4 所示。 表4不同切换时间电动机转速的百分数 Tab.4 The percent of motor s rotate speed in different time 机械时间常数 切换时间/s c 0.5 1 1.5 2 2.5 0.7 49.0 24.0 11.7 5.7 2.8 0.8 53.5 28.7 15.3 8.2 4.4 1 60.7 36.8 22.3 13.5 8.2 2 77.9 60.7 47.2 36.8 28.7 3 84.6 71.7 60.7 51.3 43.5 4 88.3 77.9 68.7 60.7 53.5 上述2个问题是相互矛盾的,如何找到一个 合适的切换时机就成为切换过程能否顺利进行的 关键问题。 4 防止切换电流过大的方法 设工频电源信号为 Ui(£)一Uisin[o)。f+ i( )] (3) 式中:ui为工频信号的幅度,一般可认为是常数; 叫i为变频器输出信号的频率,一般可认为是常 数; i(£)为变频器输出信号的瞬时相位,一般可认 为是常数。 设电动机的感应电动势: U。(t)一【,。×e-毒sin[oa。×e一 ×£+ 。(£)] (4) 式中:U。为电动机的感应电动势的幅度;叫。(£)为 电动机的感应电动势的频率;Oo(£)为电动机的感 应电动势的瞬时相位。 工频电源电压幅值和频率都不变,初始相位 可以认为是个常数,电动机的感应电动势电压呈 指数衰减,频率也呈指数衰减,这2个信号先后加 在电动机上,这2个信号的幅值和相位差可以表 示为 △E(£)一 。(£)一Ui( ) (5) 如果假设2个电压的初始相位相等,就可以 认为转换初期幅值和相位差较小,随后逐渐加大, 1 7 苎 盟. ! 箜41卷 第8期 王丁磊,等:变频一工频切换过程中冲击电流产生原因及防范措施 最后趋于工频,过程如图5所示。 图5 AE随时间的变化 Fig.5 The change of AE follow the time 但上面这个假设是不可控的,2个电压的初 始相位在实际工程中往往是随机的,如果按照文 献[6]提出的“差频同相”方案去控制相差在实际 工作中不但要增加硬件成本,而且对于ms级的 时间而言,无论PLC还是接触器的执行时间都大 于这个ms级,在实际应用中很难实现。通过在 实际工作中反复实验和分析,并对上百台供水设 备的跟踪调查及故障分析,作者认为: 1)当供水需求确定后,最好选用多台小功率 电机的驱动方案,这样做的好处是避开了大功率 电动机容易出现的电机还没有完全脱离变频器 (例如电弧还没有熄灭),工频过早完成切换,形成 工频短路;这样做的另外一个好处就是当一台电 机或水泵损坏时,可以直接将其切除后进行维修, 不至于影响其它电机或水泵的正常运行; 2)变频一工频切换时,出现的变频器损坏和空 气开关跳闸,往往都是由于变频器的输出端与工 频电源短接造成的,只要能保证变频器的输出端 与工频不短接,就能保证平稳切换。我们在实际 工作中采用的方法是:通过PLC中的软互锁和接 触器的电气互锁加上机械互锁等多重互锁方式保 证不会出现短路; 3)切换过程迅速准确,即电机脱离电源惯性 运行的时间越短,转速下降越少,越不存在“冲 击”,最好能在电机的额定转速下进行切换,为此 在实际工作中将切换频率设定在大于工频2 ~ 5 的范围内,即51~52.5 Hz范围内,这样即使 切换过程中转速略有下降,也能保证在电动机的 额定电流下切换; 4)当用水量下降需要工频切换到变频运行 时,应该使变频器输出在低于工频2 ~5 的范 围内,即47.5~49 Hz范围内,这样可以保证当变 频器切换时冲击电流最小; 1 8 5)电机转换之初电机内只有弱小的剩磁电 势,其能量较小且衰减很快,在切换后很快就被新 切入的电压所平衡; 6)变频与工频的切换用PLC控制切换过程 时,通过我们反复实验最佳的切换时间是:变频自 由停车到切除电机要有0.1 S的延时,由电机从 变频切除到工频接通要有0.2~O.4 S的延时,这 个时间可以现场根据电动机的机械时间常数进行 微调。 5切换过程实验及分析 根据以上分析,我们采用以下条件进行切换过 程的测试:电机型号Y132S1—2×3台;电机5.5 kW ̄3台;稳流罐容量100 L;设定扬程70 m;控制 方式为变频器自由停车;延时时间为变频器自由停 车到切除电机0.1 S,电机从变频切除到工频接通 要有0.32 S。 测试过程首先将设备启动,将出口阀门关闭, 模拟用户用水量为0的情况,等供水压力达到设定 扬程并自动停机进入保压状态后进入测试状态。 打开出水阀门,水压下降,第1台电机进入变频工 作状态,模拟小流量供水,实时记录流量、出水口压 力以及设备电流情况,然后增大出水阀门开度,模 拟用户用水量增加状态,使第1台电机切换到工频 工作,继续增大出水阀门开度,使第2台电机进入 变频工作,以此类推直到3台电机全部进入工频工 作达到最大供水流量;然后逐渐减小出水阀门开度 直至完全关闭,模拟用户用水量减少状态,直至3 台电机全部停车。实验数据如图6所示。 1oo 9O 80 百 70 60 50棚 … 一 奋 40壤 30 2o l0 O 图6切换过程测试曲线 Fig.6 The test curves of switch process 实验结果分析如下: 1)设备能够根据用户用水量的变化自动实现 跟踪设定压力,压力波动小于7 ,满足供水质量 的要求; 2)电机切换过程平稳,无水锤及噪音等现象 王丁磊,等:变频一工频切换过程中冲击电流产生原因及防范措施 电气传动 2011年 第41卷 第8期 (上接第l4页) 级升压部分M0SFET开关管上漏源极上电压 U璐波形;图7b示出系统工作在28 Hz时逆变器 输出经RC滤波后的波形;图7c示出系统工作在 50 Hz时电机输出相电流波形;图7d示出水泵系 采用准优化开关模式,将零矢量U0和【, 平均注 入到每个PWM周期始末和中间。图7c示出当 控制器拖动机泵运行时,逆变器输出的相电流波 形基本为正弦波,波形畸变也很小。图7d示出系 统MPPT启动时光伏阵列电压电流波形。 统在进行最大功率跟踪的过程中,可快速地跟踪 指令电压。实验表明该系统可以驱动通用性水泵 高效稳定的运行,控制策略简单,各项功能均可实 搴 邑 t#ts(10 格) (a)前级MOSFET管漏源极电压波形 蜒 ≥ 乏 现,具有很好的实用价值与应用前景。 参考文献 摹 § t/ms(10ms,格) (c)50 Hz电机a相电流波形 萋薯 0 袁立强,赵争鸣,陈昆仑,等.光伏水泵系统的电磁兼容性设 计[J].电工电能新技术,2002,21(3):25-27. ≤ t/ms(100mS,格) (d)MPPT启动时阵列电压电流波形 苏建徽.光伏水泵系统及其控制的研究[D].合肥:合肥工 业大学,2003. 鞠洪新,余世杰,苏建徽,等.基于空间矢量PWM法的光伏水 泵变频控制系统[刀.太阳能学报,2005,26(2):157—161. 图7实验波形 Fig.7 Experimental graphs 赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥:合肥工业 大学,2003. 由图7a所示,由于前级DC/DC部分中升压 苏虎成,胨忠,刘晋,等.基于开路电压、短路电流的最优梯 度法的光伏发电系统MPPT控制[刀.电气开关,2010(1): 】7—20 变压器的漏感作用,MOSFET开关管的关断电压 波形有一定的尖峰,开关管关断时,承受2倍的输 入电压。图7b示出控制器输出相电压波形为马 鞍波,这是由于系统使用SVPWM调制法,而且 硬丽百两 丽 丽 修改稿日期:2011—02一l1 19 

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