[摘要]：交 流电动机是广泛用于各领域的重要动力设备，电动机数值可观的起动电流及其对供电系统的影响长期困扰着人们，传统的各种起动方式都有这样或那样的弊端。自变 频调速器问世以后，交流电动机的软起动很好地解决了这一问题，但当前大量出现的问题是电动机升速到接近额定速切换到电网电源过程中，常常造成很大的冲击并 引起电动机保护起动跳闸，使切换失败。此外，将运转的电动机由电网切换到变频电源的需求也经常发生，交流电动机双向并网控制器很好地解决了这一问题，实践 证明电动机的电源切换是能无扰动平滑切入电网的。

关键词：变频调速器  同期  冲击

 

1 前言

   交流电动机广泛用于国民经济的各个领域，特别是同步电动机更以其很高的节能效率及能向电网提供无功功率受到人们的青睐。然而异步电动机可观的起动电流，以 及同步电动机不具备自行起动能力的缺陷一直困扰着人们。变频调速器的问世成功地解决了这两个问题，即用零起升速的软起动方式完全消除了起动电流及同步电动 机起动难所带来的问题。但变频调速器作为起动电源带来了新的问题，即当电动机软起动升速到接近额定速时需要实施电动机的电源切换，即从变频调速器供电切换 到电网供电，或将由工频电网供电的电动机切换到变频电源上。而长期以来人们所使用的切换方法导致电动机经常受到极大的冲击，甚至诱发电动机保护动作使切换 失败。究其原因，是人们忽视了电源的切换是必须遵循交流电机的同期（或同步）三准则，即必须在变频电源与电网工频电源的电压、频率相近时捕捉两电源电压相 角差为零的瞬间完成电源切换。而当前普遍流行的切换方式却忽视了最重要的相角差条件，这是损害电机的重要原因。

 

2 交流电动机在变频电源及工频电频间的切换方式

可能出现的切换方式有：

（1）       交流电动机由变频电源软起动后切换到工频电源；

（2）       由变频电源驱动的交流电动机在给定负荷时切换到工频电源；

（3）       在工频电源上运行的交流电动机在给定负荷时切换到变频电源。

上述三种切换方式（1）多用于负荷较稳定的电动 机的起动，避免起动电流对电网的干扰。 方式（2）多用于一台变频电源供多台电动机起动和运行控制的情况，当被变频器起动并进入运行工况的电动机接近满负荷或给定负荷值时，将该电动机切换到工频 电源上运行，并随即起动原先在停机备用状态的电动机，使其进入运行工况，依次类推。方式（3）多用于正在工频电源上运行的电动机负荷不重但变动较频繁时需 转由变频电源供电的情况。

在工频电源与变频电源的电压、频率和相角有较大差异时进行切换，将导致电动机及变频电源受损，频繁的切换冲击对运行设备及产品质量都构成威胁。

 

3 电源切换过程描述

图3-1给出了SID-2AM型交流电动机电源切换的示意图，变频调速器的输出三相电源U_V及电网电源U_S分别经自动转换开关ATS给电动机M供电。起动程序是：变频调速器按预先设定的升频及升压方式，通过ATS的两电源侧开关给电动机逐步由零升压及升频，并网控制器实时监测U_V及U_S的频差、压差及相角差，当变频器输出电压U_V与电网电源电压U_S的频差△f及压差△U达到预先设定的值时，并网控制器将在相角差到达0°之前相当于ATS开关固有合闸时间t_k的瞬间对ATS开关发出切换控制命令，实现电源无扰动切换。考虑到在ATS开关切换过程中，电动机因带有负载将会在相当于开关合闸时间t_k的时段内失去电源而进入惰转减速状态，因此，并网控制器应具备计及这一因素的自适应功能。也就是要考虑在惰转过程中控制器测量到的△f及△U值将发生变化，控制器发出切换命令的提前控制角要作相应的修正。

执行切换功能的开关使用自动转换开关ATS可确保变频电源不会与工频电源短接，并支持双向切换。但目前较多的使用两个在电气上互相闭锁的接触器进行切换操作，此种方式接线繁琐存在一定的隐患。

 

4 并网控制器原理简介

并网控制器是基于微处理器的智能控制器，考虑到 电动机的工作环境较恶劣，控制器在防护及温度适应性方面具有良好的品质。体积轻巧，安装方便，且操作简便，属傻瓜型设计风格。控制器的主要输入信号是变频 器的输出电压和电网电源电压，对于低压电动机直接取用相电压或线电压。控制器电源由电网电源的相电压或线电压提供，内部有专门的稳压模块，保证电压有较大 幅度的波动时仍能正常工作。控制器输出用以驱动切换开关的接点容量为400VAC，5A。对于高压电动机（6KV、10KV等）则通过电压互感器获取信号 电压，该信号通常为100V。

控制器从输入的U_V和U_S单相电压获取两电压的实时电压差、频率差及相角差的信息，根据预先设定的切换开关合闸时间t_k、容许切换频差△fy及容许切换压差 △Uy，控制器按计及频差△f及△f的一阶导数d△f/dt及二阶导数d²△f/dt²的微分方程快速求解发出控制切换命令的提前角，如图3-1所示，其数学表达式如下：

式中为两电压的角频率差，可以看到，当U_V在升速过程中与U_S之间的相角差为时控制器发出切换命令，经过切换开关的合闸时间t_k后，恰好在U_V与U_S重合时切换开关在已切断变频电源U_V的前提下给电动机接入U_S，ATS开关因在机械上实现了两路输入电压的互锁。因此，完全杜绝了目前使用两个接触器（或断路器）时可能发生的U_V与U_S短路现象。

为保证在U_V的升速过程中不失时机的捕捉到切换时机，控制器还采用了理想提前角的预测算法，确保不放过首次出现的切换时机。

在变频电源的频率与工频电源的频率偏差较大时，控制器将通过开关量的形式对变频器进行升频或降频控制，直至频差小于容许值。控制器是否执行切换操作，可由变频器或上位机以开关量形式的命令开启或闭锁切换操作。

控制器面板上设有简洁的如下人机交互界面，如图4-2所示：

图4-2 并网控制器面板布置图

 

（1）       同步表：

由12个LED发光二极管组成的园形同步表，两相邻LED的角差为30°，同步表的功能是：

A、  指示在U_V及U_S两输入端接入两同频率交流电压的相角差，即用以“核相”；

B、  指示在U_V及U_S两输入端接入两不同频率交流电压的瞬时相角差，及两电压的频差极性，如LED灯顺时针方向闪亮，表明U_V的频率高于U_S，反之则为f_V＜f_s；

C、  同步表园心的红色LED灯闪亮表明正在实施切换操作，持续点亮时间为控制器预置ATS开关切换时间定值的二倍。

（2）       参数设置拔码开关

有三组参数设置拔码开关；

A、  ATS开关切换时间t_k设置拔码开关：三位，每位有0～9十个状态，三位开关设置值为000～999毫秒；

B、  容许频差设置拔码开关：一位，0～9十个状态，设置值为0～0.9Hz；

C、  容许压差设置拔码开关：一位，0～9十个状态，设置值为（5%、6%、7%、8%、9%、10%、12%、14%、16%、20%）额定电压。

（3）       ATS开关切换时间t_k的自动测量

t_k是指ATS开关从接收到切换命令至主触头完成换位的时间，控制器通过回收开关辅助接点的变位信号实现t_k的自动测量。测量值由同步表中标号为0~9（相当于时钟0点到9点）的十个LED指示灯给出。控制器每完成一次切换操作这十个LED指示灯均会有三个灯依次发光，发光顺序是t_k实测值以毫秒为单位的百位数、十位数和个位数。例如4号灯、8号灯、3号灯依次点亮表明t_k=483ms。此种显示将重复三次，按下“复位”键可清除显示值。在控制器三位切换时间设置开关均置于“0”位置时，按“复位”键后，表示控制器进入测量切换时间状态。

（4）       状态指示灯二个

A、  电源指示灯；

B、  控制器故障报警灯。

（5）       电压标定

将变频电源及电网工频电源两输入端接入同一交流50Hz电压，用以对两输入端电压的一致性进行标定。标定前先将控制器三位切换时间设置开关均置于“9”位置，按“复位”键后即进入电压标定状态，当两端电压接入后，按一下“标定”按钮即完成了电压标定。

（6）       复位按钮及标定按钮。对控制器实施复位操作或执行电压标定

（7）       接线端子排

接入信号有七类：

A、  电网电压端子可选择输入660VAC、380VAC或220VAC；

B、  变频器电压端子可选择输入660VAC、380VAC或220VAC；

C、  切换控制输出接点开出量；

D、  升频、降频控制接点开出量；

E、  闭锁切换操作开入量；

F、  切换开关辅助接点开入量；

G、  控制器电源220VAC。

         

5 并网控制器结构尺寸

如图5-1

图5-1 控制器结构尺寸

 

6          应用举例

（1）恒压供水系统

大型建筑物的恒压供水设施往往配置了多台水泵， 投入运行的水泵数量取决于用水量。为了提高水泵工作效率，几乎所有建筑物都为多台水泵配置了一台共用的变频调速器，如图6-1所示，低负荷时由变频器起动 第一台水泵，在用水量发生变化时变频器按水压恒定准则自动调节水泵转速，实施输水量的恒压控制。当第一台水泵接近满负荷时，控制室向并网控制器的“闭锁切 换操作”输入端发出解除切换闭锁命令（开关量），并网控制器即进入并网条件检测状态，在并网条件符合给定条件时，随即将水泵电动机由变频电源投向工频电 源，继而变频器通过第二台水泵电动机的ATS开关起动该水泵并进入输水工况。与此同时第二台水泵电动机的并网控制器开始上电工作，当水泵负荷接近满载时该 并网控制器自动将第二台水泵电动机由变频电源无扰动切换到工频电源，如此类推起动其他水泵电动机。按此工作模式，变频器总是与最后投入的水泵电动机并联运 行。不难想到，当该台水泵负荷减小到一定数值时应停运此台水泵，此时变频器将通过倒数第二个投入运行水泵电动机的并网控制器将该电动机由工频电源切换到变 频电源。

SID-2AM型交流电动机并网控制器是按双向切换设计的，即既可以将电动机由变频电源平滑地切换到工频电源，也可以将电动机由工频电源平滑地切换到变频电源。

 

（2）异步软起动高效稀土永磁同步电动机的电源切换

一般永磁同步电动机的起动电流比同规格普通感应 电动机大得多。这是因转子为永磁体，起动时产生发电制动转矩Tg导致的。而新近出现的异步软起动高效稀土永磁同步电动机解决了起动电流大的问题，该电动机 在定子上绕有两个绕组，一个是起动绕组。一个是运行绕组，将起动绕组的极数设计为运行绕组极数的一倍，而运行绕组的极数与永磁转子的极数相同。这样在电动 机起动时先接通起动绕组，永磁转子在定子倍极起动绕组中感应的电动势相互削弱或抵消，从而使发电制动转矩Tg大幅减小，也就是使起动电流大幅减小。当电动 机转速接近或达到运行绕组同步转速时，通过并网控制器迅速切断起动绕组的电源，并随即将电源切换到运行绕组上，平滑地实现了电动机的起动。电路接线如图 6-2所示。

 

7  结束语

变频调速器的出现为改善交流电动机的起动条件， 及提高电动机拖动设备如水泵、风机等的节能效益起到了积极的作用，因此变频器得到了广泛的应用。近年来我国丰富的稀土元素又促进了稀土永磁同步电动机的发 展，同步电动机较之异步电动机的高效率及能向系统提供无功功率的优势更受到人们的青睐，为实现我国节能减排重要国策起到了强有力的支撑作用。随着交流电动 机与变频调速器的匹配联动，电动机在完成起动过程后转由电网电源供电的切换操作就显得非常重要，根据不完全统计，当前几乎所有电动机由变频电源切换到电网 电源的操作都只是遵循频率和电压相近的原则，而忽视了最重要的相角相近的原则。因此，电源切换频频产生对电动机的冲击甚至跳闸，造成损毁设备的严重后果。 本文介绍的并网控制器从根本上杜绝了前述问题，这对于大量使用的同步电动机，及转子可能在定子断电时还残存剩磁的异步电动机是不可或缺的安全保障。双向并 网控制器对于将正在运行的电动机由电网电源切换到变频电源的场合更具有重要意义，因这一操作是完全无扰动的，对冲击耐受力较弱的变频电源无疑是极为有利 的。

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作者简介：

叶念国  男 （1935—） 教授  长期从事电力系统自动化技术领域的科研与教学工作;；深圳市科技顾问； 武汉大学电气工程学院兼职教授；深圳市智能设备开发有限公司董事长；深圳市国立智能电力科技有限公司董事长。

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