王丁磊，郭濤

（安陽師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，河南 安陽455002）

1 引言

對(duì)于通風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等流體類機(jī)械，其負(fù)載往往是變化的，為保證流體輸出壓力恒定和節(jié)能，一般都是通過變頻控制來實(shí)現(xiàn)的。而流體類機(jī)械設(shè)備的工作效率與轉(zhuǎn)速有關(guān)，如果轉(zhuǎn)速不在最佳范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致效率過低。如圖1所示。

圖1 電機(jī)－泵系統(tǒng)的最佳工作區(qū)Fig.1 The best work area of motor and pump system

而設(shè)備的負(fù)載往往有一個(gè)變化很大的范圍，為使設(shè)備工作在較高效率范圍內(nèi)，實(shí)際工作中經(jīng)常使用多臺(tái)小功率泵并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情況，采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的控制方案，不但可以滿足負(fù)載高峰、低谷、平峰的恒壓輸出要求，并且可以避免選用大功率變頻器及泵機(jī)組，從而可以節(jié)約投資；同時(shí)，在一臺(tái)電機(jī)或泵損壞后，可以直接將其切除進(jìn)行維修，不影響其它電機(jī)或泵的正常運(yùn)行。

采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)這種控制方案會(huì)產(chǎn)生變頻－工頻切換的問題，如果變頻－工頻切換時(shí)間設(shè)定不當(dāng)，容易產(chǎn)生諸如電流沖擊、跳閘和電機(jī)轉(zhuǎn)速過渡不平穩(wěn)等一系列問題。文獻(xiàn)［1］只是對(duì)PLC如何通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)多變頻器的控制，對(duì)單變頻器如何實(shí)現(xiàn)多電動(dòng)機(jī)控制沒有提及。文獻(xiàn)［2］只是對(duì)硬件部分做了描述，沒有對(duì)變頻－工頻切換時(shí)間進(jìn)行說明。文獻(xiàn)［3］只是對(duì)變頻器和多電動(dòng)機(jī)的接線和多電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速匹配進(jìn)行了討論，沒有提及單變頻器對(duì)多電動(dòng)機(jī)的控制。文獻(xiàn)［4］只是列出切換的步驟，并沒有對(duì)產(chǎn)生原因做深層次的分析。文獻(xiàn)［5］對(duì)軟切換技術(shù)進(jìn)行了理論上的分析，從理論上找到了切換的最佳時(shí)間點(diǎn)，但沒有進(jìn)行工程應(yīng)用分析。文獻(xiàn)［6］和文獻(xiàn)［7］對(duì)轉(zhuǎn)換的電壓、頻率的變化進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，對(duì)產(chǎn)生沖擊的原因也進(jìn)行了分析，但文中提到的“差頻同相”技術(shù)在工程中難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)［8］在研究異步電機(jī)最小損耗控制算法和流量、水壓與水泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系基礎(chǔ)上，建立了基于異步電機(jī)效率優(yōu)化的變頻供水閉環(huán)控制系統(tǒng)，但沒有提及變頻和工頻間切換的問題。我們用常見的供水設(shè)備（典型的流體類設(shè)備）作為研究對(duì)象，對(duì)其在變頻和工頻的切換過程中電流沖擊產(chǎn)生的原因及防范措施進(jìn)行分析。

2 變頻和工頻切換的原理

變頻恒壓供水系統(tǒng)的工作原理是根據(jù)用戶用水量變化自動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行水泵臺(tái)數(shù)和一臺(tái)水泵轉(zhuǎn)速，使水泵出口壓力保持恒定。變頻恒壓供水系統(tǒng)當(dāng)用戶用水量小于一臺(tái)水泵工頻工作的出水量時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)用水量的變化對(duì)一臺(tái)水泵電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)整運(yùn)行，當(dāng)用水量增加時(shí)管道系統(tǒng)內(nèi)壓力下降，這時(shí)壓力傳感器把檢測(cè)到的信號(hào)傳送給微機(jī)控制單元，通過微機(jī)運(yùn)行判斷，給變頻器發(fā)出信號(hào)，提高水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，以保證系統(tǒng)壓力不變，反之當(dāng)用水量減少時(shí)，使水泵轉(zhuǎn)速減慢，以保持恒壓；當(dāng)用水量大于1臺(tái)泵出水時(shí)，第1臺(tái)泵切換到工頻運(yùn)行，同時(shí)第2臺(tái)泵開始變頻調(diào)速運(yùn)行，增加供水量，保證用水壓力恒定；當(dāng)用水量大于2臺(tái)泵出水量時(shí)，第3臺(tái)泵開始變頻調(diào)速運(yùn)行，保證供水壓力的恒定；最終可能3臺(tái)泵全部進(jìn)入工頻運(yùn)行，達(dá)到最大供水量。反之，當(dāng)用水量減少時(shí)，整個(gè)過程和上述情況相反。在整個(gè)運(yùn)行過程中，變頻恒壓供水系統(tǒng)始終保持系統(tǒng)恒壓不變，使水泵始終工作在高效區(qū)，既保證用戶恒壓供水，又節(jié)省電能。其工作原理如圖2所示。切換過程見表1和表2。

圖2 系統(tǒng)工作原理圖Fig.2 The working principle of system

表1 用水量增加時(shí)泵的運(yùn)行狀態(tài)切換表Tab.1 The switch table of pump states when water supply increased

表2 用水量減少時(shí)泵的運(yùn)行狀態(tài)切換表Tab.2 The switch table of pump states when water supply decreased

3 電流沖擊產(chǎn)生原因的分析

在切換過程中有如下2個(gè)問題需要考慮。

1）從電動(dòng)機(jī)停車所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)角度來看，我們希望切換時(shí)間應(yīng)盡量延長，這樣可以減小切換時(shí)電動(dòng)機(jī)自由停車時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和工頻電壓因相位不同而造成的電流沖擊，三相異步電動(dòng)機(jī)斷電的瞬間定子中的電動(dòng)勢(shì)E和電源電動(dòng)勢(shì)非常接近，在電磁過渡過程中定子繞組電動(dòng)勢(shì)的衰減方程為

式中：E為定子繞組電動(dòng)勢(shì)的有效值；Ei為定子繞組電動(dòng)勢(shì)初始有效值；τE為電磁時(shí)間常數(shù)。

由文獻(xiàn)［9］我們知道，供水設(shè)備上采用的電機(jī)功率一般在4.0～15kW之間，其電磁時(shí)間常數(shù)τE在125～532ms之間，利用式（1）可以計(jì)算出不同時(shí)間常數(shù)的電動(dòng)機(jī)在不同時(shí)刻的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和初始時(shí)刻的電動(dòng)勢(shì)Ei之比（E／Ei），如表3所示。

表3 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和初始時(shí)刻的電動(dòng)勢(shì)Ei之比（%）Tab.3 The ratio of induced electromotive force Eand electromotive force Ei

根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，只要剩余的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和初始時(shí)刻的電動(dòng)勢(shì)Ei之比（E／Ei）小于50%，切換過程的電流沖擊就不會(huì)太大。定子電動(dòng)勢(shì)的衰減曲線如圖3所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)自由停車時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Fig.3 The motor′s induced electromotive force when shut down

隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的振幅和頻率都在下降，圖3不能表達(dá)出頻率的下降，圖4不但可以描述振幅的下降，也能描述頻率的下降。

圖4 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)振幅和頻率隨時(shí)間的變化曲線Fig.4 The change between induced electromotive force and frequency follow the time

2）從電動(dòng)機(jī)即將按照工頻電源進(jìn)行工作這個(gè)角度來看，我們希望切換時(shí)間盡量縮短，這樣可以保證工頻電源切入后不會(huì)造成過大的啟動(dòng)電流。自由停車狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化取決于電動(dòng)機(jī)和水泵構(gòu)成系統(tǒng)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中：nt為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；nMN為電動(dòng)機(jī)斷電后的初始轉(zhuǎn)速為機(jī)械時(shí)間常數(shù)。

電動(dòng)機(jī)和水泵組成的系統(tǒng)中，當(dāng)水泵切斷電源時(shí)，由于水的勢(shì)能很大，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降較快，為防止電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降過多（一般控制在額定轉(zhuǎn)速的75%以上［6］），應(yīng)將切換時(shí)間盡量縮短，這樣可以保證工頻電源切入后不會(huì)造成過大的啟動(dòng)電流。根據(jù)式（2）可以求得電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載水泵后不同時(shí)刻的轉(zhuǎn)速占額定轉(zhuǎn)速的百分比，如表4所示。

表4 不同切換時(shí)間電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的百分?jǐn)?shù)Tab.4 The percent of motor′s rotate speed in different time

上述2個(gè)問題是相互矛盾的，如何找到一個(gè)合適的切換時(shí)機(jī)就成為切換過程能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵問題。

4 防止切換電流過大的方法

設(shè)工頻電源信號(hào)為

式中：Ui為工頻信號(hào)的幅度，一般可認(rèn)為是常數(shù)；ωi為變頻器輸出信號(hào)的頻率，一般可認(rèn)為是常數(shù)；θi（t）為變頻器輸出信號(hào)的瞬時(shí)相位，一般可認(rèn)為是常數(shù)。

設(shè)電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：

式中：Uo為電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的幅度；ωo（t）為電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的頻率；θo（t）為電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的瞬時(shí)相位。

工頻電源電壓幅值和頻率都不變，初始相位可以認(rèn)為是個(gè)常數(shù)，電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電壓呈指數(shù)衰減，頻率也呈指數(shù)衰減，這2個(gè)信號(hào)先后加在電動(dòng)機(jī)上，這2個(gè)信號(hào)的幅值和相位差可以表示為

如果假設(shè)2個(gè)電壓的初始相位相等，就可以認(rèn)為轉(zhuǎn)換初期幅值和相位差較小，隨后逐漸加大，最后趨于工頻，過程如圖5所示。

圖5 ΔE隨時(shí)間的變化Fig.5 The change ofΔEfollow the time

但上面這個(gè)假設(shè)是不可控的，2個(gè)電壓的初始相位在實(shí)際工程中往往是隨機(jī)的，如果按照文獻(xiàn)［6］提出的“差頻同相”方案去控制相差在實(shí)際工作中不但要增加硬件成本，而且對(duì)于ms級(jí)的時(shí)間而言，無論P(yáng)LC還是接觸器的執(zhí)行時(shí)間都大于這個(gè)ms級(jí)，在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)。通過在實(shí)際工作中反復(fù)實(shí)驗(yàn)和分析，并對(duì)上百臺(tái)供水設(shè)備的跟蹤調(diào)查及故障分析，作者認(rèn)為：

1）當(dāng)供水需求確定后，最好選用多臺(tái)小功率電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案，這樣做的好處是避開了大功率電動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)的電機(jī)還沒有完全脫離變頻器（例如電弧還沒有熄滅），工頻過早完成切換，形成工頻短路；這樣做的另外一個(gè)好處就是當(dāng)一臺(tái)電機(jī)或水泵損壞時(shí)，可以直接將其切除后進(jìn)行維修，不至于影響其它電機(jī)或水泵的正常運(yùn)行；

2）變頻－工頻切換時(shí)，出現(xiàn)的變頻器損壞和空氣開關(guān)跳閘，往往都是由于變頻器的輸出端與工頻電源短接造成的，只要能保證變頻器的輸出端與工頻不短接，就能保證平穩(wěn)切換。我們?cè)趯?shí)際工作中采用的方法是：通過PLC中的軟互鎖和接觸器的電氣互鎖加上機(jī)械互鎖等多重互鎖方式保證不會(huì)出現(xiàn)短路；

3）切換過程迅速準(zhǔn)確，即電機(jī)脫離電源慣性運(yùn)行的時(shí)間越短，轉(zhuǎn)速下降越少，越不存在“沖擊”，最好能在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速下進(jìn)行切換，為此在實(shí)際工作中將切換頻率設(shè)定在大于工頻2%～5%的范圍內(nèi)，即51～52.5Hz范圍內(nèi)，這樣即使切換過程中轉(zhuǎn)速略有下降，也能保證在電動(dòng)機(jī)的額定電流下切換；

4）當(dāng)用水量下降需要工頻切換到變頻運(yùn)行時(shí)，應(yīng)該使變頻器輸出在低于工頻2%～5%的范圍內(nèi)，即47.5～49Hz范圍內(nèi)，這樣可以保證當(dāng)變頻器切換時(shí)沖擊電流最??；

5）電機(jī)轉(zhuǎn)換之初電機(jī)內(nèi)只有弱小的剩磁電勢(shì)，其能量較小且衰減很快，在切換后很快就被新切入的電壓所平衡；

6）變頻與工頻的切換用PLC控制切換過程時(shí)，通過我們反復(fù)實(shí)驗(yàn)最佳的切換時(shí)間是：變頻自由停車到切除電機(jī)要有0.1s的延時(shí)，由電機(jī)從變頻切除到工頻接通要有0.2～0.4s的延時(shí)，這個(gè)時(shí)間可以現(xiàn)場根據(jù)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

5 切換過程實(shí)驗(yàn)及分析

根據(jù)以上分析，我們采用以下條件進(jìn)行切換過程的測(cè)試：電機(jī)型號(hào) Y132S1－2×3臺(tái)；電機(jī)5.5 kW×3臺(tái)；穩(wěn)流罐容量100L；設(shè)定揚(yáng)程70m；控制方式為變頻器自由停車；延時(shí)時(shí)間為變頻器自由停車到切除電機(jī)0.1s，電機(jī)從變頻切除到工頻接通要有0.32s。

測(cè)試過程首先將設(shè)備啟動(dòng)，將出口閥門關(guān)閉，模擬用戶用水量為0的情況，等供水壓力達(dá)到設(shè)定揚(yáng)程并自動(dòng)停機(jī)進(jìn)入保壓狀態(tài)后進(jìn)入測(cè)試狀態(tài)。打開出水閥門，水壓下降，第1臺(tái)電機(jī)進(jìn)入變頻工作狀態(tài)，模擬小流量供水，實(shí)時(shí)記錄流量、出水口壓力以及設(shè)備電流情況，然后增大出水閥門開度，模擬用戶用水量增加狀態(tài)，使第1臺(tái)電機(jī)切換到工頻工作，繼續(xù)增大出水閥門開度，使第2臺(tái)電機(jī)進(jìn)入變頻工作，以此類推直到3臺(tái)電機(jī)全部進(jìn)入工頻工作達(dá)到最大供水流量；然后逐漸減小出水閥門開度直至完全關(guān)閉，模擬用戶用水量減少狀態(tài)，直至3臺(tái)電機(jī)全部停車。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 切換過程測(cè)試曲線Fig.6 The test curves of switch process

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

1）設(shè)備能夠根據(jù)用戶用水量的變化自動(dòng)實(shí)現(xiàn)跟蹤設(shè)定壓力，壓力波動(dòng)小于7%，滿足供水質(zhì)量的要求；

2）電機(jī)切換過程平穩(wěn)，無水錘及噪音等現(xiàn)象出現(xiàn)；

3）無論在用戶用水量增加或者減少過程中，電機(jī)切換過程電流變化平穩(wěn)，沒有發(fā)現(xiàn)電流沖擊現(xiàn)象。

6 結(jié)論

綜上所述，采用合適的電機(jī)變頻－工頻切換時(shí)間是保證切換過程平穩(wěn)進(jìn)行的關(guān)鍵；保持較小的電動(dòng)機(jī)切換前和切換后的轉(zhuǎn)速差是保證切換過程平穩(wěn)的重要條件；多重互鎖是保證切換安全的重要保證；通過實(shí)驗(yàn)證明了小容量電機(jī)（小于5.5 kW）轉(zhuǎn)換之初電機(jī)內(nèi)弱小的剩磁電勢(shì)能量較小，在切換后很快就被新切入的電源所平衡，在切換過程中不必過多考慮。對(duì)于大容量電動(dòng)機(jī)－泵構(gòu)成的系統(tǒng)，盡量采用用多臺(tái)小容量電動(dòng)機(jī)代替大容量電動(dòng)機(jī)以保證切換的平穩(wěn)性和電機(jī)能夠始終工作在最佳效率區(qū)。

［1］夏磊正.PLC實(shí)現(xiàn)變頻器多電機(jī)控制［J］.中小企業(yè)管理與科技，2008（11）：79.

［2］戴嘩.變頻器在多臺(tái)風(fēng)機(jī)起動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2001，4（4）：132－133.

［3］王星光.變頻器怎樣對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)實(shí)行調(diào)速與控制［J］.電氣時(shí)代，1999，29（4）：15－16.

［4］西佳軍.淺議恒壓供水變頻與工頻切換時(shí)時(shí)間的設(shè)定［J］.經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2009（16）：170.

［5］趙祥卿，張桂芳.軟切換技術(shù)在變頻與工頻切換中的應(yīng)用［J］.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，8（3）：26－28.

［6］張燕賓.變頻與工頻的切換問題［J］.自動(dòng)化博覽，2003（z1）：166－170.

［7］周久艷，張燕賓.變頻與工頻切換的控制電路［J］.電氣時(shí)代，2002（7）：46－47.

［8］李斌，羅富強(qiáng)，陳煒，等.基于異步電機(jī)效率優(yōu)化的變頻供水系統(tǒng)研究［J］.電氣傳動(dòng)，2010，40（3）：32－35.

［9］楊輝，萬淑蕓.鼠籠型交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)測(cè)量的一種簡單方法［J］.基礎(chǔ)自動(dòng)化，1996，3（6）：23－27.