張春輝，高彥生

（1.上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092；2.中原環(huán)保股份有限公司，河南 鄭州 450009）

0 引言

變頻器以其特有的優(yōu)越性在市政工程中得到了廣泛應(yīng)用。大多數(shù)情況下，某一臺泵（水泵、風(fēng)機）變頻無法達(dá)到工藝要求，需要幾臺水泵或風(fēng)機都能實現(xiàn)變頻運行。為了節(jié)省投資，許多業(yè)主都會選擇一臺變頻器連接多臺水泵的方式，即變頻器先帶一臺工作，當(dāng)水泵達(dá)到全速，仍未達(dá)到工藝需求時，將該水泵切換到工頻，并啟動第二臺水泵，直至滿足工藝需求。本文從研究電動機變頻轉(zhuǎn)工頻時的工況入手，對目前采用的同相轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析，提出一種延時轉(zhuǎn)換加改變整定參數(shù)的解決方案,并在實踐中得到運用。

1 變頻轉(zhuǎn)工頻時電動機的情況分析

當(dāng)電動機退出變頻電源后，定子開路，其外接端電壓瞬時變?yōu)榱悖D(zhuǎn)子電流就作為勵磁電流產(chǎn)生氣隙磁通。由于轉(zhuǎn)子因慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的磁通會在定子繞組中感應(yīng)出電勢，其時電機處于發(fā)動機狀態(tài)。由于電機失電降速，其電機感應(yīng)電勢與電源電壓的相位不再同步，此時合上工頻電源，兩者相位不同，最不利時甚至相反，便會從而產(chǎn)生很大的沖擊電流，造成電機及設(shè)備的損傷。因此，在變頻轉(zhuǎn)工頻時，應(yīng)采取減小沖擊電流的措施。

2 變頻/工頻的轉(zhuǎn)換方式

2.1 同相轉(zhuǎn)換

由分析可知，如果接上工頻電源時的電源電壓與電機感應(yīng)電勢同相位，則可避免產(chǎn)生較大的沖擊電流，因此，利用“頻率相位檢測器”實現(xiàn)同頻同相合閘，是目前流行的變頻轉(zhuǎn)工頻的方法。其“同頻同相檢測加上同步切換”系統(tǒng)是由“ 采樣—鑒相—變頻器”組成的鎖相閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，在變頻/工頻同頻后，由鑒相器比較出一暫態(tài)相位差信號，用該信號反復(fù)來調(diào)整變頻器的輸出參數(shù)，使變頻/工頻的穩(wěn)態(tài)相位最后趨于一致，然后采用先投后切(又稱“同步切換”)的順序?qū)崿F(xiàn)電動機變頻與工頻之間的轉(zhuǎn)換[1]。

這種“同頻同相檢測加上同步切換”的方法也存在一些不足:

（1）變頻轉(zhuǎn)工頻時采用先投后切的方式，而變頻器的輸出電壓是根據(jù)電動機的額定電壓參數(shù)設(shè)定的，當(dāng)電網(wǎng)電壓過高或過低時，即便是同頻同相的條件已滿足,但同幅不一定滿足。如果鑒相器不具備鑒幅功能，電網(wǎng)電壓過高時進(jìn)行變頻/工頻轉(zhuǎn)換，就會使變頻器損壞；電網(wǎng)電壓過低時轉(zhuǎn)換，會使變頻器輸出過流，沖擊供配電系統(tǒng)。

（2）調(diào)頻同相檢測系統(tǒng)是對具體的變頻器的硬件進(jìn)行調(diào)整實現(xiàn)閉環(huán)控制的，所以廠家生產(chǎn)的同步切換裝置只能與自己生產(chǎn)的變頻器或按自己要求指定生產(chǎn)的變頻器配套使用，即不具有通用性。

（3）價格昂貴，經(jīng)濟性差。

針對上述的主要不足，近兩年出現(xiàn)了“差頻同相檢測加上異步切換”系統(tǒng)，它是根據(jù)負(fù)載情況用軟件程序設(shè)計一個合適的頻段。該頻段是指偏離工頻的一個范圍（即“差頻”），在該范圍內(nèi)電動機等待著同相的轉(zhuǎn)換時機而進(jìn)行轉(zhuǎn)換。只要設(shè)定好頻段的大小、靈敏度與選擇性3個技術(shù)參數(shù)，就能指導(dǎo)系統(tǒng)快速、平穩(wěn)地進(jìn)行先切后投（又稱“異步切換”）。

由于是先切后投，因此使用時不受電網(wǎng)電壓過高或過低的影響。同時，由于“差頻同相檢測”采用開環(huán)控制，控制單元與變頻器是非接觸式的(“同頻同相檢測”是閉環(huán)控制，控制單元與變頻器是接觸式的)，因此具有較大的通用性。但是，由于價格高，加上參數(shù)設(shè)置需要一定的經(jīng)驗，所以實際使用該裝置的情況不是很多。

2.2 延時轉(zhuǎn)換

如果在變頻轉(zhuǎn)工頻時使定子感應(yīng)電勢大大減少，甚至等于零之后再合閘接上工頻電源，顯然能避免過大的電流沖擊，延時轉(zhuǎn)換就是根據(jù)這個理由提出來的[2]。由電機學(xué)的知識可知，三相異步電動機定子每相電勢：

式中：E1為定子繞組的感應(yīng)電勢；W1為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；kw1為定子繞組系數(shù)；5m為每極氣隙磁通；f1=f2/s定子頻率，f2為轉(zhuǎn)子頻率100%為電機轉(zhuǎn)差率，n0為電機同步轉(zhuǎn)速，n為電機同步轉(zhuǎn)速。

在短時間的轉(zhuǎn)換階段，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與頻率f2變化小，那么f1變化小，在變頻斷電后，由轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的氣隙磁通:

式中：E1為定子繞組的感應(yīng)電勢；S=L2/R2為電磁時間常數(shù)。

由于籠型電機的轉(zhuǎn)子電感很小，則S很小。由式（2）可知，5m將隨時間快速衰減；由式（1）可知，E1也迅速減少，一般經(jīng)過3～5S后E1就幾乎等于零。如果此時再合閘接上工頻電源，不僅沖擊電流不會過大，而且沖擊時間極短。

3 實例應(yīng)用

某污泥項目在最終運行調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝慌_冷卻水泵經(jīng)變頻啟動時一切正常，而在切換第二臺水泵時上級開關(guān)瞬間跳閘。經(jīng)現(xiàn)場查看，業(yè)主為節(jié)省成本將原有一控一的兩臺水泵改為一控二，控制原理如圖1所示。

圖1 冷卻水泵一空二原理圖

經(jīng)分析，若采用相位分析加切換裝置來解決問題顯然違背變頻器一控二節(jié)省投資的初衷，故采用延時轉(zhuǎn)換的方法。

延時轉(zhuǎn)換的方法關(guān)鍵在于延遲時間的控制，因為延遲時間過長，雖然會避免較大的沖擊電流，但同時會導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)速降低過多，切換成工頻時相當(dāng)于電機變?yōu)橹苯訂樱冾l器就失去了降低啟動電流的功能。

因此，本文提出可將變頻器上級斷路器短路短延時調(diào)至一般情況下的1.5倍，同時利用PLC控制接觸器的投切來精確控制切換的時間，可選擇在電機轉(zhuǎn)速降低到一半的時候切換到工頻，這樣既可保證沖擊電流不會太大，也使變頻器的啟動功能得到了一定的發(fā)揮。

4 結(jié)語

采用延時轉(zhuǎn)換，所用設(shè)備少，經(jīng)濟性好。本文提出的利用PLC控制延遲時間并結(jié)合調(diào)整斷路器參數(shù)方法可以在經(jīng)濟性和功能性之間找到一定的平衡，實踐證明具有一定的實用性。