交流异步电机的工变频同步切换.docx

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交流异步电机的工变频同步切换

1.SYN-TRANSFER技术详细资料2

SYN-TRANSFER技术介绍2

工作原理3

主回路配置4

系统外部原理图5

组成及操作界面说明5

2.高压变频器切换工频时非同期冲击6

非同期冲击原理6

非同期冲击实验7

3.电厂风机由变频切换工频切换和类似的方案8

风机变频到工频切换方法8

同步切换方案9

方案一（带电抗器）9

方案二（不带电抗器）10

同步切换应用方案11

4.高压变频器水冷方式方案14

1.SYN-TRANSFER技术详细资料

SYN-TRANSFER技术介绍

同步切换是变频器与工频电网之间进行无扰切换的技术，它利用锁相技术，使变频器输出电压的频率、相位、幅值和电网电压的频率、相位、幅值保持一致，进行变频器与电网之间的无扰切换，防止因变频器输出电压和电网电压之间存在相位差而产生冲击电流，损坏设备或拉跨电网。

为重负载软启动（磨机）、多台水泵顺序自动变频软启动、需要在工频和变频电源之间频繁切换的系统。

同步切换的控制方法为:

同时检测变频电源和工频电源的频率、相位和幅值,当两种电源的频率差、相位差、幅值差小于规定误差时,锁定当前电网频率进行切换。

电机由变频转工频的切换一般是在变频器输出电压和电网电压的频率、大小都相等的情况下进行的，表面上看，此时两个电源输出电压的大小、频率都相等，似乎可以进行平滑切换，不会对电机产生什么冲击。

其实不然，一个没有考虑到的关键性的问题是——相位，即两个电源电压变化的步调是否一致。

在变频转工频切换瞬间，由于变频器输出电压起始相位具有随机性，它所输出的三相电源相位和电网工频电源相位完全有可能不一致。

SYN-TRANSFER技术非常必要。

下图是SYN-TRANSFER技术的原理图。

锁相前、后的变频和工频电压波形如图1、图2所示。

比较得知，变频器锁相成功后，工频电网电压与变频器输出电压的频率、幅值、相位基本保持一致，极大减小了投切时产生的冲击电流，保证了同步切换的可靠性。

从根本上讲,变频电源与工频电源的频率不可能完全一致,正是由于频率上的不完全相等,才可能实现相位差小于规定值的切换。

由于变频电源与工频电源的频率之间存在微小差异,才能使两者的相位差进行调整,当两者的相位差处于允许误差的范围之内时,就会发生从变频电源到工频电源的切换。

变频电源与工频电源的幅值并不要求完全意义上的一致,实际中的变频电源的幅值也未必会与工频电源的幅值完全一致。

工作原理

变频器的同步切换按照运行方式可分为频工投切和工频投切。

系统原理图如图所示。

1.变频工频投切：

先由变频器拖动电机运行，当变频器的输出电压的频率、幅值、相位都与电网相符时，将电动机切换到工频电网运行，然后将变频切除；

2.工频变频投切：

电动机在工频运行而需要切换到变频运行时，开始变频器进行锁相，当变频器的输出电压的频率、幅值、相位都与电网相符时，将电机切换至变频运行，然后将工频切除；

主回路配置

电抗器柜：

内含一台电抗器和一台真空接触器，当需要进行同步切换时，需要将电抗器接入主回路，电抗器起到抑制涌流的作用。

旁路柜：

内含三台真空接触器和一个手动刀闸，实现变频器运行状态和工频运行状态之间的切换，QS1为手动刀闸，主要起到保护的作用。

变频器：

实现变频调速的作用。

同步切换控制柜：

内含PLC，实现对同步切换的过程控制。

变频器至上级断路器之间有合闸允许、分闸信号2个干接点，并接入上级断路器进行联锁。

变频器至同步切换控制柜PLC的电平输入信号有高压指示、运行指示、锁相成功信号、重故障指示4个信号。

同步切换柜至变频器的脉冲输出信号有脉冲启动、紧急停机、变频锁相、变频复位4个信号。

系统外部原理图

组成及操作界面说明

同步切换控制柜主要完成对同步切换的自动和手动控制，其操作台界面如下图所示：

2.高压变频器切换工频时非同期冲击

非同期冲击原理

根据电机原理，三相电动机正常运行时，以同步转速旋转的主磁场将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势。

三相异步电动机每一相定子线圈产生的感应电动势和定子每相所加的电源电压只是频率相同，幅值不等，相位也不一致，在相量图上表现为与-存在一定的夹角。

对大功率电动机来说，若断开电源后，断开后虽然主磁场消失，但曾经被主磁场磁化的转子铁芯依然存在剩磁，与此同时由于惯性转子依然高速旋转，在定子线圈产生的感应电动势并不会在极短的时间内消失，只是有所衰减。

由于变频转工频时间极短，定子线圈产生的感应电动势依然存在，因此必须充分考虑对切换过程的影响。

当电机处于变频运行时，变频器输出电压起始相位具有随机性，变频器只是保证了输出电压两相之间的电压相位差为120。

当其输出频率上升到50HZ后，我们进行变频转工频切换，假设此时变频器三相电压的某一相为

，电动机相应一相定子线圈产生的感应电动势为

，与之相对应的工业电网工频电压中的一相为

，它与变频器三相电压的某一相为

存在相位差φ，如图1所示。

切换后，加在电动机定子绕组上的将与电动机定子绕组本身尚存的感应电动势进行叠加，使得电动机每相定子绕组承受的总的电压为

仔细观察图1可知，如果相位差在0~180之间由φ增大到

，则电动机每相定子绕组承受的总的电压由增大到

。

当相位差在0~180之间增大到同相180时，这种叠加最为强烈，电动机每相定子绕组承受的总的电压大小直接变为

，这个电压已经远远超过电动机可以承受的额定电压，它将引起电机电流过大、绝缘严重受损等诸多严重问题。

因此，大功率电机切换过程产生非同期冲击。

图1

非同期冲击实验

根据实验结果，图2（a）为变频电源与工频电源相位相差°切换时的电机电流波形,前半段为变频电源驱动电动机的电流波形,后面一段则为工频驱动电机的电流波形。

从该图可以看出,切换时的电流为电机稳态运行电流的2倍,电流过渡平稳。

图2（b）为变频电源与工频电源相位相差180°切换时的电机电流波形。

由图中可以看到切换时的电流为电机稳态运行电流的8倍。

图2（c）为电机直接起动瞬间的电流波形。

由图中可以看到起动时的电流为电机稳态运行电流的6倍。

由图2（a）可以看出,从变频电源到工频电源切换时仍有一定的冲击电流。

这是由于采用了同步切换方式中的先切变频,再投工频的方式所致。

在先切变频,再投工频的方式中,检测到变频电源与工频电源的频率差、相位差、幅值差小于规定误差后,从切除变频到再投工频仍有一定的时间差（乃二次回路和主回路上电器的动作时间所致）,从而导致真正切换时刻变频电源与工频电源的相位存在偏差,因而才有一定的冲击电流。

但总能把切换时的电流控制在~2倍于稳态运行电流大小上,从而可实现变频电源至工频电源较平滑地切换。

由图2中的波形比较可以看出:

当变频电源与工频电源的频率差、相位差、幅值差小于规定误差切换时,切换电流远小于电机直接起动时的电流;但当相位相差180°时切换,则切换电流会大于电机直接起动时的电流。

从而说明了检测变频电源与工频电源的频率、相位、幅值是实现该切换的核心部分。

图2（a）同相切换时电机电流波形　（b）反相切换时电机电流波形　（c）直接起动时电机电流波形

从变频电源与工频电源的频率差、相位差、幅值差对切换时电流的影响来看,频率差与幅值差对切换结果的影响都不是很大,主要是两者相位差的影响。

大量实验数据表明:

变频电源到工频电源切换时的电流倍数随两者相位差的增大而增大,相位差为180度切换时为最大,高于电机直接起动时的电流,这从图的比较中也可看出。

因而,电机切换过程产生非同期冲击。

3.电厂风机由变频切换工频切换和类似的方案

风机变频到工频切换方法

方法一：

设法降低感应电动势的幅值，待其降到其幅值小于后切入工频。

即先断开变频器，减少电机剩磁。

然后进行变频到工频的切换。

依赖时间的推移来降低电动势幅值的方法会随着时间的推移，让其幅值减小到额定电压的三分之一以下就可以了。

这样，即使切换至工频电源时刻感应电动势与工频电源的相位相差180，△U也不会超出其许可的安全范围了。

此方法简单易行，安全可靠，成本增加较小，但仍存在不小的电流冲击。

通过试验和现场测试，此种切换方法的冲击电流约为额定电流的3-5倍。

方法二：

在回路中串入合适的电抗，延时后将其短路掉。

通过合理设计的L参数，电机分担的电压就可以控制在允许范围之内，顺利完成切换。

此切换方法控制简单，较为安全。

但电抗器体积庞大，成本增加较多。

冲击峰值较大，但持续时间短。

通过试验和现场测试，此种切换方法的冲击电流峰值约为额定电流的倍。

方法三：

选择合适的时刻，在电动机感应电动势的相位与工频电源的相位差值较小的时刻切入工频电源。

即锁频锁相同步切换。

同步切换的控制方法为:

同时检测变频电源和工频电源的频率、相位和幅值,当两种电源的频率差、相位差、幅值差小于规定误差时,进行切换。

从变频电源到工频电源切换时仍有一定的冲击电流。

这是由于采用了同步切换方式中的先切变频,再投工频的方式所致。

在先切变频,再投工频的方式中,检测到变频电源与工频电源的频率差、相位差、幅值差小于规定误差后,从切除变频到再投工频仍有一定的时间差（乃二次回路和主回路上电器的动作时间所致）,从而导致真正切换时刻变频电源与工频电源的相位存在偏差,因而才有一定的冲击电流。

但总能把切换时的电流控制在~2倍于稳态运行电流大小上,从而可实现变频电源至工频电源较平滑地切换。

同步切换方案

方案一（带电抗器）

根据项目情况，如果变频器做软启动，为保证在电机变频运行切换到工频运行时做到平滑无冲击，因此，苏州汇川技术有限公司建议采用加均流电抗器做同步切换的方案，系统方案一如下图所示：

1.控制逻辑说明：

（1）初始状态：

所有开关全部断开；

（2）合QS1、QS2，变频器得电；

（3）启动M1：

合KM1，启动变频器，变频器驱动M1达到工频状态，之后断开KM1，将电抗器接入主回路，合上KM3，电机处于两路电源供电，变频器通过控制输出电压相位角来控制变频输出电流减小，当变频器输出电流减小为零时，断开KM2，M1电机工频运行；

2.可实现的运行状态：

1.实现M1电机软启动；

2.实现M1变频到工频无扰切换；

3.方案优势

在实现电机软起时，无需将阀门调至最低或将负载调制最低，操作方便；

在变工频切换时可做到平滑无冲击；

切换时电机一直保持50HZ运行，不会出现失速情况；

方案可靠性高；

4.方案劣势

由于增加了均流电抗器，方案成本相对较高；

方案二（不带电抗器）

根据客户项目情况，客户电机功率小于1000KW，变频器切换到工频运行不加均流电抗器切换瞬间冲击电流约为电机额定电流的～倍，如果电网容量能够承受此冲击电流，可采用如下系统方案：

1.控制逻辑说明：

（1）初始状态：

所有开关全部断开；

（2）合QS1、QS2,然后合QF1、QF2变频器得电；

（3）启动M1：

合KM1，启动变频器，变频器驱动M1达到工频状态，之后断开KM1，延时10s，合KM2，电机M1工频运行；

2.可实现的运行状态：

1.实现M1电机软启动；

2.实现M1电机工频到变频的切换；

3.实现单台电机的变频器运行；

3.方案优势

此方案不加均流电抗器，方案成本较低；

系统方案控制逻辑较简单，可靠性高；

4.方案劣势

在电机软启动的过程当中，需要将负载阀门关至最小位置，防止切换时产生大的冲击电流，同时避免对机械部分造成损伤；

电机在变频切换工频时，首先断开变频器输出，延时10s后再吸合工频旁路，因此，电机会有一定的降速，切换时会有～倍的冲击电流，因此要求电网容量能够承受此冲击电流。

不能将电机从工频状态切换至变频运行；

注：

延迟10s的作用是使电机内部的磁场自然衰减，防止产生冲击。

变频器在断开输出后，电机内部还有剩磁，转子在旋转，此时电机处于发电状态，如果立即合工频，则电机发出的电和工频电网之间会有一个对冲，从而产生大的冲击电流而使上级开关柜跳闸。

同步切换应用方案

应用场合：

贵州某化工厂CO压缩机

电机功率：

4000KW/10KV

变频器容量：

5600KVA

Syn-transfer技术应用方案

系统工作原理描述：

1、变频运行

（1）确保KM4、KM5断开，合上KM2；

（2）首先合上QS1、QF1，待高压变频器上电正常后，再合上KM1；

（3）然后上位机先给变频器频率指令，再给启动信号，变频器加速到给定频率；

（4）在运行过程中，可以根据工艺情况来改变给定频率；

当变频器产生故障时，系统需要切换到工频运行；

2、工频运行

（1）确保KM1断开，KM5断开，KM2合上。

（2）首先合上KM3、QF2，待软启动柜上电正常后，再合上KM4；

（3）然后上位机给软启动器启动信号，软启动器进行调压软启动，待电压到达额定电压，KM5自动合上，KM3、KM4断开，此时电机处于工频运行。

（4）在运行过程中，可以根据工艺情况来改变阀门开度。

3、工-变频切换

当变频器被修复后，可以把正在工频状态运行的电机平滑切换到变频运行状态。

（1）变频器处于工频运行状态；

（2）需要将电机接入变频运行；

（3）首先手动合上QS1、QF1，变频器高压上电；

（4）变频器锁相成功后，综合开关状态信号，输出切换就绪信号并在变频器面板指示。

（5）当切换就绪后，上位机（或变频器面板开关）给变频器工-变频切换命令，变频器先断开KM2，保证电抗器接入；同时解除KM1和KM5之间的互锁关系，接着变频器发命令合上KM5。

此时KM1和KM5同时合上，由电网和变频器同时给电机供电。

（6）电网供给电流逐渐减小，变频器供给电流逐渐增大，当变频器输出电流增大到90%左右电机运行电流后，断开KM5；接着合上KM2；

（7）电机已被平滑切换到变频运行，之后断开KM5；

4、变-工频无扰切换

此切换不属于主要工作状态，切换过程类似工-变频切换过程，不再累述。

4.高压变频器水冷方式方案

风水冷却系统是一种利用高效、环保、节能的冷却系统。

其主要原理是：

将变频器的热风通过风道直接通过空冷装置进行热交换，由冷却水直接将变频器散失的热量带走；经过降温的冷风排回至室内。

风冷装置内通过冷水温度低于33℃，即可以保证热风经过散热片后，将变频器室内的环境温度控制在40℃以下满足变频器对环境运行的要求。

从而，保证了变频器室内良好的运行环境。

冷却水与循环风完全分离，水管线在变频室外与高压设备明确分离，确保高压设备室不会受到防水、绝缘破坏等安全事故。

风水冷却系统结构原理图如下：

风水冷示意图

为了便于现场选择和适用，通常现场需要满足以下条件：

1）现场能够提供的工业冷却水温≤33℃，且能够提供的入口水压在～之间，回水压力在～之间。

2）能够提供必要的冷却水量，根据冷却功率大小，每套设备需要的循环冷却水总量应大于22m³/h。

3）需要为变频器配备独立的密闭式房屋，且房屋具有10㎝以上的保温层或隔热措施。

4）房屋内净高不小于；在房屋的长度方向前或后部具有与房屋长度相当，宽度不小于的施工和安装场地。

5）现场能够提供两路380VAC/3PH电源，变频器室的电源需求容量为15kVA。

6）冷却水水质要求无悬浮物沉积，PH值偏碱性≥。