張軍梁，王興

(1. 中國(guó)石油化工股份有限公司 鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207；2. 杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州 310018)

石油化工行業(yè)對(duì)生產(chǎn)連續(xù)性要求非常高，對(duì)于系統(tǒng)中的某些關(guān)鍵設(shè)備，如乙烯裂解爐引風(fēng)機(jī)，一旦控制出現(xiàn)故障會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，如何保證該類(lèi)變頻器傳動(dòng)系統(tǒng)的連續(xù)性對(duì)提高裝置的平穩(wěn)運(yùn)行有著重要的實(shí)際意義。

采用雙變頻器熱備的冗余控制方式是一種解決方案，但見(jiàn)諸報(bào)道的該類(lèi)研究較少。本文以雙機(jī)熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)為目標(biāo)開(kāi)展試驗(yàn)研究，具體探討了雙變頻器快速平穩(wěn)切換方案的技術(shù)問(wèn)題。經(jīng)分析研究，選擇了變頻器跟蹤啟動(dòng)功能并結(jié)合其外部切換時(shí)間和內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化的方案，通過(guò)試驗(yàn)獲得了工程上有實(shí)用價(jià)值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。

1　切換過(guò)程的理論分析

對(duì)于雙變頻器帶1臺(tái)電機(jī)的情況，完全的無(wú)擾切換要求主變頻器和備用變頻器電源的電壓幅值、頻率和相位在切換瞬間保持完全一致，如電力系統(tǒng)的同期并網(wǎng)[2-3]，而未加控制的情況并非如此。

(1)

式中：Z1——定子繞組阻抗。

由此可見(jiàn),切換過(guò)程中主備變頻電源的相位是切換擾動(dòng)大小的關(guān)鍵因素。

圖1　異步電機(jī)切換過(guò)程向量關(guān)系示意

2　變頻器切換方案綜述

2.1　變頻-工頻切換

常見(jiàn)的變頻器切換方式是變頻和工頻之間互切，接觸器KM1和KM2為互鎖狀態(tài)，主回路原理如圖2所示。變頻器運(yùn)行時(shí)，KM1閉合，KM2打開(kāi)；工頻運(yùn)行時(shí)，KM1打開(kāi)，KM2閉合。

圖2　變頻-工頻切換主回路原理示意

常用的切換方式有異步切換和同步切換[4]。

1) 異步切換。指變頻和工頻電壓的幅值、頻率吻合，而不要求相位相同的切換。該方式在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為180°時(shí)，會(huì)出現(xiàn)15～20倍額定電流以上的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊。一般應(yīng)用于低壓小功率變頻系統(tǒng)，如住宅小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)。

2) 同步切換。指變頻和工頻兩者的電壓幅值、頻率、相位都相同時(shí)的切換。這里需要采用同步切換技術(shù)，如鎖相環(huán)技術(shù)，可以使切換電流不超過(guò)電機(jī)額定電流的2.5倍，同步切換時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速前后變化極小。一般應(yīng)用于大功率系統(tǒng)和高壓變頻器。

文獻(xiàn)[5]借助鎖相環(huán)技術(shù)使交流電機(jī)從變頻器切換到工頻電源瞬間的電壓頻率和相位不變，達(dá)到平穩(wěn)切換的目的。切換過(guò)程中電機(jī)電流不超過(guò)其額定電流的1.5倍。

文獻(xiàn)[6]研究了使用變頻器作為鎖相環(huán)的電壓控制振蕩器環(huán)節(jié)，變頻器同步到工頻電源的過(guò)程。主要特點(diǎn)是可以使用變頻器的普通模擬輸入控制口，而不牽涉內(nèi)部控制程序，既不需要增加任何的板卡，也不需要對(duì)控制程序進(jìn)行改寫(xiě)，非常實(shí)用，能在很短的時(shí)間內(nèi)把變頻器的輸出同步到工頻。

文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了數(shù)字鎖相環(huán)同步切換系統(tǒng)，采用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)對(duì)高壓變頻器和電網(wǎng)之間的切換進(jìn)行研究。

文獻(xiàn)[8]采用鎖相環(huán)同步切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高壓變頻器與工頻的互切，理論與試驗(yàn)研究完整。

文獻(xiàn)[9]中提到了軟切換概念，它是在同步切換的硬件基礎(chǔ)上，通過(guò)控制器的特殊邏輯設(shè)計(jì)，完成工頻電源與高壓變頻器之間的軟切換。電機(jī)運(yùn)行在工頻電網(wǎng)需要切換到變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，首先利用相位檢測(cè)及鎖相控制使高壓變頻器跟蹤電機(jī)端殘壓相位和頻率，選擇最優(yōu)的高壓變頻器工作運(yùn)行點(diǎn)投入高壓變頻器，然后逐步升高變頻器的輸出電壓和頻率達(dá)到工頻電壓和頻率值，使電機(jī)逐步運(yùn)行到額定狀態(tài)，這時(shí)電機(jī)沖擊電流最小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本保持不變。文獻(xiàn)[9]只進(jìn)行了從工頻到變頻的切換仿真，其中的切換實(shí)質(zhì)類(lèi)似于目前變頻器內(nèi)部固有的跟蹤啟動(dòng)功能。

文獻(xiàn)[10]論述了命名為無(wú)痕切換的方式，實(shí)現(xiàn)了高壓變頻器切換時(shí)無(wú)電流沖擊和很小的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。文獻(xiàn)[11]也是采用同步切換和轉(zhuǎn)速跟蹤切換的方法解決高壓變頻器的切換問(wèn)題。文獻(xiàn)[12]闡述了用變頻器的自由停車(chē)指令將電動(dòng)機(jī)滅磁，然后再投入電網(wǎng)，該法在切換期間電機(jī)運(yùn)行特性會(huì)有變化。

2.2　變頻 - 變頻切換

雙變頻器熱備冗余的電氣一次回路如圖3所示，圖中2臺(tái)變頻器分別經(jīng)QF1與QF2提供2路供電，KM1與KM2互為電氣聯(lián)鎖。上述的切換方案，對(duì)于雙變頻器互相切換的情況可以借鑒，區(qū)別是原有電網(wǎng)供電回路變?yōu)樽冾l器輸出回路。

圖3　變頻雙機(jī)熱備主回路原理示意

綜上所述，針對(duì)變頻器無(wú)擾動(dòng)切換技術(shù)問(wèn)題，首先需要考慮的是沖擊電流對(duì)切換的影響，即當(dāng)運(yùn)行變頻器故障或運(yùn)行變頻器所在母線電源失電造成變頻器欠壓跳閘時(shí)，直接切換到備用變頻器，備用變頻器很可能由于電流沖擊而導(dǎo)致變頻器過(guò)流故障，造成切換失敗。當(dāng)電機(jī)從運(yùn)行變頻器斷開(kāi)后，轉(zhuǎn)子由于慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，定子電流雖然為零，但由于剩磁作用將在定子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)三相電壓，電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降而減小。當(dāng)電機(jī)切換到備用變頻器運(yùn)行時(shí)，定子繞組中感應(yīng)電壓的大小、相位將決定是否能夠平穩(wěn)切換。如果切換時(shí)刻感應(yīng)電壓和備用變頻器輸出電壓在允許的同相角范圍內(nèi)，切換較容易；如果在非同相角范圍內(nèi)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的沖擊電流，導(dǎo)致變頻器過(guò)流跳閘，切換失敗。

對(duì)于變頻-變頻切換，目前常采用的切換方案有如下幾種[1]：

1) 增加延時(shí)。電機(jī)從運(yùn)行變頻器斷開(kāi)后按慣性減速，感應(yīng)電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降而減小。備用變頻器投入延時(shí)，對(duì)減小電流沖擊有益。但是延時(shí)太短，效果不明顯；延時(shí)太長(zhǎng)，又不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。因此，該方法不是解決問(wèn)題的根本方法和最佳方案。

2) 加大變頻器容量。由于變頻器切換過(guò)程中，容易瞬間產(chǎn)生較大的沖擊電流，導(dǎo)致短時(shí)間變頻器超負(fù)荷跳機(jī)。適當(dāng)增大變頻器容量，使變頻器能承受切換時(shí)的峰值電流，也是一種實(shí)現(xiàn)變頻-變頻順利切換的方法。

3) 加裝交流電抗器。在變頻器至電機(jī)之間加裝輸出濾波電抗器，改變了電機(jī)電纜的電氣參數(shù)，可以有效降低諧波電流，減小切換時(shí)的電流沖擊，同時(shí)對(duì)改善電機(jī)的發(fā)熱和振動(dòng)也有好處。交流電抗器可按變頻器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中提供的規(guī)格加以選用，也可自行制作。

4) 采用變頻器跟蹤啟動(dòng)功能。現(xiàn)在一般變頻器都具有跟蹤啟動(dòng)功能,它是根據(jù)檢測(cè)運(yùn)轉(zhuǎn)中的電機(jī)磁通和機(jī)械狀態(tài)，輸出相應(yīng)PWM調(diào)制電壓以跟蹤電機(jī)的速度為目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)控制。設(shè)定應(yīng)用該功能后，變頻器在每次啟動(dòng)時(shí)都會(huì)自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)狀態(tài)，然后根據(jù)電機(jī)的狀態(tài)輸出與電機(jī)相近的速度與電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣能使電機(jī)工況平穩(wěn)過(guò)渡。

3　雙機(jī)熱備變頻切換試驗(yàn)

本文的研究目標(biāo)為2臺(tái)變頻器帶1臺(tái)電機(jī)，通過(guò)變頻-變頻無(wú)擾動(dòng)切換，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的不停機(jī)運(yùn)行。研究采用變頻器跟蹤啟動(dòng)功能和優(yōu)化變頻器參數(shù)的方案，該方案是一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便的解決方案，不需要增加額外裝置，對(duì)于小功率系統(tǒng)具有很大的實(shí)用價(jià)值。

研究直接從試驗(yàn)入手，分別選取了11，22，45 kW ABB ACS800系列3臺(tái)變頻器，與相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)搭建了雙機(jī)熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)。其主回路原理如圖3所示，2路電源經(jīng)QF1與QF2分別接入變頻器1與變頻器2，2路輸出通過(guò)KM1與KM2向三相電機(jī)供電，KM1與KM2互相聯(lián)鎖。正常工作期間，QF1，QF2，KM1或KM2閉合；保證2路中有1路正常供電，另1路處于熱備用狀態(tài)。一旦檢測(cè)到主變頻器供電電壓出現(xiàn)問(wèn)題，將控制KM1或KM2斷開(kāi)，KM2或KM1閉合，以進(jìn)行變頻器的切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)在雙機(jī)熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)下的穩(wěn)定運(yùn)行。

試驗(yàn)方案采取改變備用變頻器容量、調(diào)整備用變頻器加減速時(shí)間和啟動(dòng)延時(shí)、調(diào)整主機(jī)脫機(jī)延時(shí)等方式，通過(guò)對(duì)各種狀況下的電壓、電流波形進(jìn)行比對(duì)分析，得出結(jié)論。

試驗(yàn)用儀表記錄整個(gè)切換過(guò)程中電動(dòng)機(jī)端電壓電流波形。其中每個(gè)試驗(yàn)波形圖中均有4個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)，如圖4～圖13所示。T1時(shí)刻主變頻器發(fā)生故障，電機(jī)側(cè)電壓、電流均發(fā)生瞬間跌落，電機(jī)轉(zhuǎn)子由于慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，期間有個(gè)主機(jī)接觸器斷開(kāi)延時(shí)；T2時(shí)刻備用變頻器延時(shí)啟動(dòng)，之后備用變頻器進(jìn)入速度追蹤狀態(tài)；T3時(shí)刻備用變頻器完成速度追蹤，開(kāi)始增大輸出電壓、電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸恢復(fù)；T4時(shí)刻電機(jī)側(cè)電壓、電流恢復(fù)到故障前狀態(tài)，變頻器之間的切換完成，系統(tǒng)開(kāi)始正常穩(wěn)定工作。

3.1　不同容量的備機(jī)切換試驗(yàn)

該實(shí)驗(yàn)主變頻器為11 kW，備用變頻器為22 kW帶額定5.5 kW的電機(jī)，實(shí)際輕載運(yùn)行電流5 A左右。

1) 切換試驗(yàn)1。當(dāng)11 kW主變頻器發(fā)生故障時(shí)，22 kW備用變頻器延時(shí)1 s后啟動(dòng)，變頻器加減速時(shí)間為10 s。電機(jī)端三相電壓、電流有效值在切換過(guò)程中的波形如圖4～圖5所示，圖5中T2-T1=1.25 s，T3-T1=16.05 s，T4-T1=18.08 s，備用變頻器速度追蹤時(shí)間約為14.8 s，期間最大沖擊電流約21.39 A。

圖4　22 kW作為備用變頻器電機(jī)端三相電壓有效值示意

圖5　22 kW作為備用變頻器電機(jī)端三相電流有效值示意

2) 切換試驗(yàn)2。22 kW備用變頻器改做主機(jī)，11 kW主變頻器改做備機(jī)，啟動(dòng)和加減速時(shí)間同上，電機(jī)端三相電壓、電流有效值在切換過(guò)程中的波形如圖6～圖7所示，圖7中T2-T1=1.15 s，T3-T1=1.93 s，T4-T1=3.70 s，備用變頻器速度追蹤時(shí)間約為0.78 s，期間最大沖擊電流約22.79 A。

對(duì)比圖4～圖7可以得出試驗(yàn)結(jié)論： 備用變頻器的容量與電機(jī)匹配合適，有利于變頻器對(duì)電機(jī)的準(zhǔn)確辨識(shí)和快速跟蹤，功率匹配過(guò)大反而是不利的。試驗(yàn)另外表明： 跟蹤方式下的最大沖擊電流基本上都在電機(jī)額定電流的2倍左右。

圖6　11 kW作為備用變頻器電機(jī)端三相電壓有效值示意

圖7　11 kW作為備用變頻器電機(jī)端三相電流有效值示意

3.2　備機(jī)不同加減速時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間切換試驗(yàn)

3.2.1不同加減速時(shí)間切換試驗(yàn)

試驗(yàn)變頻器和電機(jī)同上，這時(shí)電機(jī)實(shí)際帶載為額定容量5.5 kW的80%，備機(jī)延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間為0.6 s。選擇10 s和5 s加減速時(shí)間做試驗(yàn)，切換試驗(yàn)電壓、電流波形如圖8～圖11所示，備機(jī)不同的加減速時(shí)間的切換記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1所列。

表1　備機(jī)不同加減速時(shí)間下的切換試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1) 切換試驗(yàn)1。當(dāng)變頻器加減速時(shí)間為10 s時(shí)，電機(jī)端三相電壓、電流有效值在切換過(guò)程中的波形如圖8～圖9所示，圖9中T2-T1=0.77 s，T3-T1=3.23 s，T4-T1=8.40 s。

圖8　變頻器加減速時(shí)間為10s時(shí)電機(jī)端三相電壓切換波形對(duì)比示意

圖9　變頻器加減速時(shí)間為10 s時(shí)電機(jī)端三相電流切換波形對(duì)比示意

2) 切換試驗(yàn)2。當(dāng)變頻器加減速時(shí)間為5 s時(shí)，電機(jī)端三相電壓、電流有效值在切換過(guò)程中的波形如圖10～圖11所示，圖11中T2-T1=0.78 s，T3-T1=3.23 s，T4-T1=5.75 s。

對(duì)比圖8～圖11可以看出，備用變頻器切換后到達(dá)穩(wěn)定的時(shí)間與變頻器加減速時(shí)間有關(guān)，加減速時(shí)間越短切換完成越快，最大沖擊電流沒(méi)有明顯變化，它取決于備機(jī)合閘時(shí)變頻器輸出電壓與電機(jī)的殘壓差。

3.2.2備機(jī)不同啟動(dòng)時(shí)間切換試驗(yàn)

試驗(yàn)采用45 kW 的變頻器，負(fù)載電機(jī)15 kW，運(yùn)行電流30 A左右。主機(jī)接觸器釋放延時(shí)為2 s，備機(jī)加減速為30 s，延時(shí)啟動(dòng)的時(shí)間從1.5 s逐步縮小到0.1 s，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所列。

圖10　變頻器加減速時(shí)間為5 s時(shí)電機(jī)端三相電壓切換波形對(duì)比示意

啟動(dòng)延時(shí)/s(T2-T1)/s(T4-T1)/sImax/A1.51.00.50.13.653.152.652.257.256.886.756.7855.751.341.639.5

備機(jī)不同延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間的切換均能成功，說(shuō)明備機(jī)啟動(dòng)觸發(fā)條件滿足時(shí)，基本可以實(shí)現(xiàn)立即啟動(dòng)，切換總時(shí)間沒(méi)有影響。原因是主機(jī)延時(shí)2 s脫開(kāi)時(shí)，電機(jī)殘壓和轉(zhuǎn)速已經(jīng)很小，相當(dāng)于從零開(kāi)始啟動(dòng)；而縮短延時(shí)到很小時(shí)，電機(jī)殘壓較大，啟動(dòng)的尖峰電流相對(duì)較小。

3.3　主機(jī)不同釋放延時(shí)切換試驗(yàn)

該試驗(yàn)主要目的是為了實(shí)現(xiàn)最快的切換。顯然策略是在主機(jī)故障發(fā)生時(shí)，立刻釋放主機(jī)，快速切換到備機(jī)，并立刻啟動(dòng)。設(shè)置備機(jī)延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間為0.001 s，加減速時(shí)間為15 s開(kāi)始延時(shí)，負(fù)載給定80%，主機(jī)延時(shí)釋放從0.500 s減小到0.001 s，表3是試驗(yàn)數(shù)據(jù)，切換試驗(yàn)電壓、電流波形如圖12～圖13所示。

主機(jī)延時(shí)釋放時(shí)間越短，總的切換時(shí)間也越小，上述系統(tǒng)基本可以做到在1 s內(nèi)完成切換，結(jié)果是比較理想的，該時(shí)間與鎖相環(huán)技術(shù)[6]的水平相當(dāng)。但是，多次試驗(yàn)并不是都能切換成功的，往往是備機(jī)因過(guò)流而跳機(jī)，其主要原因： 因主機(jī)釋放時(shí)間極短，電機(jī)還有較大的電勢(shì)，合閘瞬間的電源與電機(jī)電勢(shì)的相位差的隨機(jī)性決定了切換試驗(yàn)的成敗，當(dāng)然備機(jī)變頻器容量較大就可以承受過(guò)流，但是過(guò)大的備機(jī)變頻器又會(huì)導(dǎo)致辨識(shí)跟隨的遲緩。

圖12　主機(jī)延時(shí)釋放時(shí)間為0.001 s電機(jī)端三相電壓切換波形對(duì)比示意

圖13　主機(jī)延時(shí)釋放0.001 s時(shí)間為電機(jī)端三相電流切換波形對(duì)比示意

時(shí)間/s電機(jī)殘壓/V(T2-T1)/s(T4-T1)/sImax/A1.0000.5000.00138512152.151.650.286.155.200.4541.452.1138.0

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上一系列試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1) 處于備用狀態(tài)的變頻器，其容量匹配要略大，使得能夠承受切換瞬間所產(chǎn)生較大的沖擊電流。但容量過(guò)大時(shí)，會(huì)延長(zhǎng)變頻器辨識(shí)跟隨電機(jī)的時(shí)間，反而導(dǎo)致切換時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。一般情況下，變頻器的容量大于電機(jī)2檔為宜。

2) 對(duì)備用變頻器來(lái)講，在工藝允許的情況下，適當(dāng)延長(zhǎng)主變頻器的延時(shí)釋放時(shí)間，可以確保切換100%成功，并且備用變頻器延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間最短能設(shè)置到0.001 s，總切換時(shí)間可以做到5 s左右。

3) 要獲得最快速的切換時(shí)間，縮短主變頻器延時(shí)釋放時(shí)間是關(guān)鍵，為確保切換的成功率，適當(dāng)加大備用變頻器的容量以及變頻器本身的跟隨啟動(dòng)的內(nèi)部控制性能是關(guān)鍵，建議從試驗(yàn)獲得切換參數(shù)，如果成功，總切換時(shí)間可在1 s內(nèi)。

4) 變頻器內(nèi)部的加減速時(shí)間及PID參數(shù)，對(duì)備用變頻器調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間有直接影響。加減速時(shí)間越短，切換完成的時(shí)間將相應(yīng)縮短，但是為防止備用變頻器調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)電流，加減速時(shí)間的設(shè)置需根據(jù)實(shí)際的不同工況進(jìn)行設(shè)置。對(duì)于不同的工況、不同容量的變頻器，備用變頻器調(diào)節(jié)至穩(wěn)定輸出狀態(tài)的時(shí)間是不一樣的。

5) 考慮到電抗器本身可以抑制變頻器輸出電流的波動(dòng)，為避免切換時(shí)大電流沖擊對(duì)變頻器本身造成損害，所以輸出配以電抗器及其合理的參數(shù)選擇也是有益的，本文不再贅述。

本文提出了雙機(jī)熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)方案，該方案充分考慮了實(shí)際切換過(guò)程中存在的沖擊電流過(guò)大問(wèn)題，通過(guò)提高備用變頻器的容量以及開(kāi)啟變頻器自身的跟蹤給定功能和控制參數(shù)優(yōu)化，在幾乎不改變?cè)须姎庵骰芈返幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了該功能，解決了以往因一段供電母線失電或變頻器故障影響裝置安全運(yùn)行的問(wèn)題，一定程度上滿足了石化企業(yè)對(duì)生產(chǎn)工藝連續(xù)性與可靠性的要求。這種方案特別適用于對(duì)連續(xù)生產(chǎn)要求很高、對(duì)速度波動(dòng)要求又不是特別高的場(chǎng)所。

參考文獻(xiàn)：

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