低壓供水系統變頻與工頻的切換問題
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低壓供水系統變頻與工頻的切換問題
1 引言
近年來，關于變頻與工頻切換的問題，頗受到人們的關注，提出了一些值得討論的問題。尤其在恒壓供水系統中，變頻與工頻的切換問題，已經成為一個 須解決好的比較急迫的問題。
由于在供水系統中，變頻與工頻的切換問題具有一，定的特殊性，因此，本文將著重就供水系統的切換問題進行討論。
2 兩種基本的切換方式
變頻運行的電動機切換成工頻運行的主電路如圖１所示。切換的基本過程只有2個:
(1) 斷開接觸器ｋｍ２，切斷電動機與變頻器之間的聯系;
(2) 接通接觸器ｋｍ３，將電動機投入到工頻電源上。
根據上述兩個過程的先后順序的不同，而有兩種切換方式:“先投后切”和“先切后投”。
2.1 先投后切
即首先接通接觸器ｋｍ３，在短時間內使電動機處于工頻電源和變頻電源同時供電的狀態。然后再斷開ｋｍ２，切斷變頻電源。
這種方法，須解決好同頻同相檢測的問題。即在通電瞬間，，須做到:
(1) 變頻器的輸出頻率與工頻 相同;
(2) 變頻器各相相電壓的相位也與工頻電壓的相位相吻合。
這種方法在中、高壓變頻器中得到了成功的應用。
2.2 先切后投
即首先斷開接觸器km2，然后再接通ｋｍ３。
在低壓變頻器中，這種方法將是主要的、甚至是唯，一的切換方式。在切換過程中，須解決好從ｋｍ２斷開到ｋｍ３閉合之間的過渡過程問題，本文將對此進行詳細探討。
3 二電平ｐｗｍ變頻器不宜“先投后切”
在供水系統中，低壓(380v)電動水泵占有相當大的比重。而迄今為止，絕大多數低壓變頻器都采用交－直－交、二電平的脈寬調制(pwm)方式。這種變頻器在說明書中都明確規定:禁止變頻器的輸出端與電源相接。而“先投后切”則要求將工頻電源與變頻電源作短時間的并聯運行，兩者是相悖的。今說明其原理如下:
(1) 二電平pwm變頻器的工作特點
交－直－交、二電平的脈寬調制(pwm)方式的基本工作過程，是逆變橋每個橋臂的兩個開關管始終處于交替導通狀態，且交替的頻率高可達100khz以上，這是低壓變頻器的基本工作方式。
(2) 低壓變頻器的輸出端嚴禁與工頻電源相接
如圖２所示，將接觸器ｋｍ接通，使工頻電源與變頻器的輸出端相接。并假設在ｋｍ接通瞬間，工頻電源處于ｌ１為“＋”、ｌ２為“－”的狀態，則:
一方面，由于工頻電源的周期長達20ms，電壓在70%um(ｕm是電壓的振幅值)以上的時間也有5ms;
另一方面，6個逆變管的交替時間卻是μs級的，以載波頻率為5khz計，則在5ms內，逆變管交替導通的次數可達100次。
今假設:在某一瞬間，v3管導通，則由圖可以看出，由于各逆變管旁邊都反并聯二極管的緣故，l1與l2之間將被短路，逆變管v3將立即損壞。事實上，由于逆變管的工作頻率很高，６個逆變管將全部損壞。
因此，在二電平ｐｗｍ變頻器中是不允許采用“先投后切”這種方法的。
4 電動機切斷電源后的過渡過程
4.1 切斷電源后的電磁過渡過程
(1) 定子繞組的自感電動勢立即消失
ｋｍ２斷開后，電動機定子繞組中的電流及其磁場將立即消失，其能量消耗在ｋｍ２斷開瞬間觸點間的電弧上，這是物理學和電工基礎的常識。因此，定子繞組的自感電動勢將隨著磁場的消失而消失。
(2) 轉子繞組中存在衰減的直流電流
由于電動機的轉子繞組是自成回路的，所以，轉子繞組的自感電動勢將阻止電流的消失，從而，轉子繞組中的電流將有一個逐漸衰減的過程，它不再交變，其初始值取決于接觸器ｋｍ２斷開瞬間的轉子電流值。
與此同時，轉子電流將產生一個逐漸衰減的直流 磁場。
(3) 電動機處于同步發電機狀態
轉子是直流磁場，定子是三相繞組，這是同步發電機的基本組態。就是說，轉子的直流磁場被定子繞組所切割，并在定子繞組中產生感應電動勢。
有必，要指出，這和異步電動機的再，生狀態(異步發電機狀態)是不同的。異步發電機發電的充要條件，是定子繞組 須和電源相接，以得到勵磁電流。而在ｋｍ２斷開后，定子繞組是開路的。
總之，異步電動機在切斷電源后，存在著一個處于同步發電狀態的電磁過渡過程。
(4) 過渡過程中，電動勢的初始值
異步電動機在正常運行時，有2個基本情況:
(a) 根據電動勢平衡方程，定子繞組反電動勢的有效值是和電源電壓十分接近的;
(b) 根據磁動勢平衡原理，轉子電流的磁動勢和定子電流的磁動勢也是十分接近的。
按照能量不能躍變的原理，在ｋｍ２剛斷開的瞬間，轉子電流的磁動勢和磁通必將維持原值。所以，定子繞組電動勢的初始值e0也必將和電源電壓十分接近。
在電磁過渡過程中，定子繞組電動勢的衰減方程如下:
(1)式中: e—定子繞組電動勢在ｔ秒時的有效值，ｖ;
ｅ0—定子繞組電動勢的初始有效值，ｖ;
τe—切斷電源后的電磁時間常數，ｓ;
e—自然對數的底數。
定子電動勢的衰減曲線如圖３所示。
(5) 電磁過渡過程的時間常數
準確地計算上述過渡過程的時間常數τe是十分困難的。我們作了一個粗略的實驗:
(a) 將三個功率相同的燈泡(220v,40w)聯接成ｙ形后和電動機(電動機容量為37kw)并聯，如圖４所示。合上開關ｑ，令變頻器的輸出頻率上升至50hz，使電動機在額定轉速下空載運行，同時，燈泡hl將在額定電壓下正常發光。
(b) 切斷開關ｑ，同時接通ｐｌｃ的計時器。由于電動機處于發電狀態的原因，燈泡hl將繼續發光，但必將逐漸變暗，到燈泡ｈｌ 全熄滅時，令plc停止計時。由此測出的時間為(1.77-1.80)s。
又通過實驗知，220v，40w的燈泡 全熄滅時的電壓約為7v。考慮到電壓越低，衰減越慢。因此推斷，總的過渡過程約在2s以上。由于電動機在空轉時慣性很大，2s內的轉速下降十分有限，故可以粗略地認為，上述數據基本上表達了電磁過渡過程的時間。當然，具體數據將因電動機的容量而異，但當在同一個數量級內。
按過渡過程的一般規律，過渡過程的總時間約為時間常數的3倍。則電磁時間常數約在0.6s左右:
τe≈0.6s
(6) 電動勢在不同時刻的計算數據
按τe=0.6s計，則由式(1)，定子繞組電動勢在不同時刻的計算數據如表１所示。
表１ 定子繞組電動勢在不同時刻的計算數據
上述數據與實驗結果基本相符。
4.2 切斷電源后的自由制動過程
所謂自由制動過程，就是在沒有 制動措施的情況下，斷電后拖動系統轉速的下降過程。根據電力拖動原理，自由制動過程中，轉速的基本表達式是:
(2)式中: ｎ—ｔ秒時刻的轉速，rpm;
ｎmn—電動機的額定轉速，rpm;
τp—供水拖動系統的機械時間常數，s。
時間常數τp的大小主要和拖動系統的慣性(用飛輪力矩ｇｄ2表達)大小有關。
供水水泵在切斷電源時，由于水的位能具有阻止水泵繼續旋轉的作用，如圖5(a)所示。故電動泵的慣性將很快被克服，停機十分迅速。據筆者所親歷的情況以及不少讀者和用戶協助進行測試所得到的數據，則切斷電源后的停機時間在2.2s以上，較長者甚至超過2min。由此判斷，電動機在自由制動過程中時間常數約在(0.7-1.0)s以上:
τp≥(0.7～1.0)s
其轉速變化曲線如圖5(b)所示。
5 對切換控制的要求
5.1 供水系統運行切換的特點
(1) 變頻器在切換前的工作頻率接近于工頻
在多泵供水系統中，常常采用由一臺變頻器控制多臺水泵的方案。通常稱為“1拖ｘ”(由1臺變頻器控制x臺水泵)。
“1拖ｘ”的工作情況是:首先由變頻器控制“1號泵”運行;當用水量增大，變頻器的運行頻率已經達到上限頻率(通常等于工頻)時，如果在確認時間(通常為2-5min)內，水壓始終低于“目標壓力”時，則將“１號泵”切換為工頻運行。
同時，變頻器的輸出頻率迅速降為0hz，并切換至“2號泵”，使“2號泵”變頻起動，以此類推。
因此，其切換特點是:在切換瞬間，變頻器的輸出頻率基本上，等于工頻。但因為計量上有差異的原因，以及電源頻率也可能有波動，因此，絕，對相等是很難出現的。
(2) 切換時電磁過渡過程遠未結束
根據式(2)，計算出供水水泵在不同時間常數，不同切換時間的轉速百分數如表2所示。
一般要求:在切換瞬間，電動機轉速以不低于額定轉速的８０％為宜。由表２可以看出，滿足此要求的切換時間，遠小于電動機的電磁過渡過程的時間常數。
所以， 須考慮定子電動勢和電源電壓的相位關系。
5.2 相位關系對切換電流的影響
(1) 定子電動勢e的波形特點
定子電動勢的波形與電源電壓波形之間的關系如圖６所示。
圖中，電動勢的波形特點如下:
(a) 因為定子電動勢e已經有所衰減，所以，電動勢的振幅值低于工頻電壓的振幅值;
(b) 因為轉子的轉速也已經有所降低，故電動勢的周期大于工頻電壓的周期。
(2) 切換時刻對切換電流的影響
十分明顯，如果在km3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢同相，如圖6(a)所示，則切換時將沒有電流沖擊;反之，如果在km3閉合的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢反相，如圖6(b)所示，則切換時必將形成很大的沖擊電流。
因此，只有在定子電動勢與電源電壓同相的瞬間，才是切換的較好時刻。所以，切換控制的關鍵是如何“捕捉”到定子電動勢與電源電壓的同相點。
6 “差頻同相”的原理與方法
新疆電子設備廠在開發“ｂｇ-1電動機變頻/工頻自動轉換監控器”(以下簡稱“自動轉換監控器”)時，提出了“差頻同相”的切換方法，并在進行了大量實驗和測試的基礎上，成功地解決了變頻與工頻的切換問題，生產出了專門用于捕捉較好切換點并執行切換動作的設備，可使切換瞬間較大電流的峰值不超過電動機額定電流的2倍(im'≤2im)，取得了令人滿意的結果，并通過了鑒定。今介紹如下:
6.1 差頻同相的概念和實現
(1) 差頻同相的概念
要使變頻器的輸出頻率與電源的工頻頻率全相同，是十分困難的。如果在兩者的頻率之間保留一，定差值(δf)的情況下“捕捉”同相點，將使容易得多。
由于是在頻率不相等的情況下"捕捉"同相點，故稱為差頻同相。
差頻同相的基本出發點是:當變頻器的輸出頻率與電源頻率存在差異時，兩者的同相點之間將不斷地作相對移動，如圖８所示。這個特點，十分有利于“捕捉”到同相點。因此，差頻同相的方法可使捕捉同相點的工作更加簡單可靠。
(2)差頻同相的實施
(a)設置“頻段陷阱”圖7表明，變頻器與電源的頻率差越小，則同相點之間作相對移動的速度越慢，“捕捉”同相點將越困難。
為此，“自動轉換監控器”設置了一個“頻段陷阱”(50±δf)hz。就是說，“自動轉換監控器”要求在切換時，變頻器的輸出頻率與電源頻率之間應該有一個頻率差δf。這可以通過預置變頻器的上限頻率來實現。例如，變頻器的上限頻率預置為49.6hz，則δf＝0.4hz。
這個要求和供水系統的工作并不相悖。事實上，從節能的觀點出發，變頻供水時，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置為49.5hz或稍高一些是較好的選擇。
(b) 切換的工作過程
當供水系統中變頻器的運行頻率達到上限頻率，并且經過確認時間，確認需要切換時，供水系統將向”自動轉換監控器”出切換指令。“自動轉換監控器”在得到指令后立即開始“捕捉”同相點。
當“捕捉”到同相點時，便斷開ｋｍ２，并在延，時100ms后，接通ｋｍ３，切換工作即告完成。
(3) 關于切換時間(100ms)
(a) 轉速方面
由表２知，當ｋｍ２切斷后100ms的瞬間，電動機的轉速在額定轉速的86.7%以上，滿足切換轉速不低于80%ｎmn的要求;
(b) 相位方面
一方面,100ms是電源電壓的５個整周期;
另一方面,按變頻器的上限頻率為(50-0.5=49.5)hz計，其周期為20.2ms,又按表２中的較壞情況(τp＝0.7s)計算，100ms時，電動機的轉速為上限轉速的86.7%時，則定子繞組電動勢的周期是23.5ms。這里，周期的大小是隨轉速的下降而逐漸增加的。為簡便起見，取5個周期的平均值20.86ms，5個周期的總時間為104.3ms。
就是說，電源電壓與定子電動勢之間，在5個周期內的時間差為4.3ms。在第5周期的相位差為:
δφ＝ω·δt＝0.43π＝77.4°。
實際上，在大多數情況下，τp的數值都大于0.7s，δφ的值 要小得多。
為了減小δφ，在“捕捉”到同相點后，可適當增加一個提前量，如圖８所示。則在切換瞬間(ｋｍ３閉合的瞬間)，將十分接近于同相點。
此外，因為第5個周期t5與工頻電壓的周期t0之間的差別不大，故當其中一相的相位對齊時，其他各相的相位差也不會太大，如圖９所示。
(4) 設置“頻段陷阱”的注意點
(a) 陷阱寬度:陷阱越寬，則同相點的相對移動速度越快，捕獲率越大，但在第５周期時的相位差越大，可能產生較大切換電流的可能性也越大;反之，陷阱越窄，則切換電流越平穩，但由于同相點的相對移動速度較慢，捕獲率降低，甚至有可能捕獲不到。實踐表明，陷阱寬度δf=±0.5ｈｚ是比較適宜的。
(b) 分辨率:如果在陷阱區間內，出現兩個或多個相位重合點時，應能準確地分辯出較好的切換點。
(c) 靈敏度:捕捉同相點時 須解決好捕捉的靈敏度，就是說， 須能夠及時地捕捉到同相點。
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