变频转工频问题探讨

ＫＭ １ ＫＭ ２
４ 变频／ 工频的延时转换
如果在变频转工频时使定子感应电势大大减少， 甚至等于零之后再合闸接上工频电源， 显然能避免过 大的电流冲击， 延时转换就是根据这个理由提出来的。 由电机学的知识可知， 三相异步电动机定子每相电势：
式中 Ｅ ， 一定子绕组的感应电势， Ｖ； Ｗｌ 一定子每相绕组串联匝数； ｋ ｗ ： 一定子绕组系数；
气一每极气隙磁通， Ｗｂ ；
． ｌ ｆ ＝． ｆ ２ ／ ｓ 一定子频率 ， Ｈ ｚ ； 几一转子频率， Ｈ ｚ ；
： 一 ｎ ｏ ｎ － ｏ ｎ Ｘ １ ０ ０ ％ 一 电 机 转 差 率 ；
ｎ 。 一电机的同步转速， ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ； ｎ 一电机转子转速， ｒ ／ ｍ ｉ ｎ ； 在短时间的转换阶段， 转子的转速 ｎ 与频率 几 变 化小， 那么人 变化小； 在变频断电后， 由转子电流产生
来影响。所以这一转换方法提出后未能得到较多的具 体实施。 我们在这方面做了许多工作， 取得了一些经验， 认 为变频延时转工频是可行的， 现介绍如下： （ １ ） 对于小功率电动机（ 一般＜３ ｋ Ｗ ） ， 当变频器输 入端跳闸退出运行后， 可通过时间继电器延时 ０ ． ５ － ３ ｓ 后投上工频电源， 电机的冲击电流不会大于允许的 起动电流。图 １ 是我们设计使用过的延时转换电路。 Ｋ Ｍ ２ Ｓ Ｋ Ｍ １ Ｓ Ｂ
（ Ｈ ｕ ｎ ａ ｎ Ａ ｒ ｔ ｓ ａ ｎ ｄ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ， Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｄ ｅ ４ １ ５ ０ ０ ３ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｏ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｅ ｄ ． Ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｏ ｕ ｇ ｈ ｔ ａ ｎ ｄ
５ 应用举例
某合成纤维厂一台型号为 Ｙ ９ ０ Ｌ －２ 的三相异步
《 电气开吴 ） （ ２ ０ ０ ７ ． Ｎｏ ． １ ）
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变频运行
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变频器自 动分闸 ５！
Ｐ Ｌ Ｃ 控 制 自动断开变频输 出开关Ｋ Ｍ
延 时设 定时间
（ ４ ． ７ Ｘ ７ ） Ａ，
另一台型号为 Ｙ ３ １ ５ Ｍ２ －４ 的三相异步电动机， 额定功率 ＭＯ Ｍ 额定电压 ３ ８ ０ Ｖ， 额定电流 ２ ９ ４ Ａ， 起 动电流倍数为 ７ 。 变频运行的频率为 ４ ５ Ｈ ： 时， 用Ｐ Ｌ Ｃ 控制延时 ６ ｓ 后转工频运行， 示波器观察其冲击电流的 最大值为 １ ４ ２ ０ Ａ； 变频运行的频率为 ４ ０ Ｈ ｚ 时， 其冲击 电流的最大值为 １ ７ ３ ０ Ａ， 均小于电机起动时允许的最 大电流 ２ ０ ５ ８ （ ２ ９ ４ Ｘ ７ ） Ａ，
２ 变频转工频时电动机的情况分析
当电动机退出变频电源后， 定子开路， 其端电压瞬 时变为零， 转子电流就作为励磁电流产生气隙磁通。 由 于转子因惯性继续旋转， 旋转的磁通会在定子绕组中 感应出电势。 如果紧接着合闸接上工频电源， 由于其电 源电压与电机感应电势的相位不同， 严重时两者的相 位相反， 就会使电机产生很大的冲击电流， 造成电机及 设备的损坏。因此， 在变频转工频时， 必须想办法避免 过大的冲击电流。
式中 ｒ ＝Ｌ ２ ／ Ｒ ２ 一电磁时间常数， ｓ； Ｌ ２ ， Ｒ ２ 一转子绕组等效电感与电阻， ｆ ｌ ． 由于笼型电机的转子电感很小， 则： 很小， 由（ ２ ） 式可知， Ｄ ４ ． 将随时间快速衰减， 由（ １ ） 式可知， Ｅ ： 也迅 速减少， 一般经过 ３ ＾ － ５ ： 后Ｅ ， 就几乎等于零。如果此 时再合闸接上工频电源， 不仅冲击电流不会过大， 而且 冲击时间极短。 采用延时转换， 所用设备少， 经济性好。但要延时 多少才恰当， 需根据电机的功率大小与负载的具体情 况而定， 很难有一个确定的数值。 这是因为延时时间长
《 电气开美） （ ２ ０ ０ ７ ． Ｎｏ ． １ ）
文章编号： １ ０ ０ ４ －２ ８ ９ Ｘ （ ２ ０ ０ ７ ） ０ １ 一０ ０ ０ ２ １ 一０ ３
变频转工频问题的研讨
胡 浩 周晓军
（ 湖南文理学院， 湖南 常德 ４ ５ ０ ０ ０ ３ ）
（ ａ ） 主电路示意图 （ ｂ ） 控制电路图 图 １ 变频／ 工频延时转换电路
电路的工作原理 ： 需要变频运行时， 首先 Ｓ合闸， Ｅ ， ＝４ ． ４ ４ ， ／ ， Ｗ， ｋ ｗ， Ｏ ． （ １ ） 然后按 Ｓ Ｔ ， Ｋ Ｍ， 线圈得电， 其主触头闭合， 电机接上
变频电源起动， 常闭辅触头打开， 切断时间继电器 Ｋ Ｔ
线圈与 Ｋ Ｍ： 线圈的通路。同时中间继电器 Ｋ线圈通 电， 其常开触头闭合自 锁； 需要转工频运行时， 变频器 输入端跳闸， Ｓ 打开， Ｋ Ｍ： 线圈失电， 其主触头打开切 断变频器与电机的接线， 其常闭辅触头闭合接通时间 继电器 Ｋ Ｔ线圈。经延时后 Ｋ Ｔ触头闭合， Ｋ Ｍ： 线圈 得电， 其主触头闭合， 电机接上工频电源， 其常开辅触
Ｐ Ｌ Ｃ 控制自动合上工频电源开关Ｋ Ｍ，
图 ２ 变频转工频流程图 பைடு நூலகம்
电动机， 额定功率 ２ ． ２ ｋ Ｗ， 额定电压 ３ ８ ０ Ｖ， 额定电流 ４ ． ７ Ａ， 起动电流倍数为 ７ 。变频运行的频率为 ４ ０ Ｈ ｚ 时， 采用图 １ 所示电路整定时间继电器延时 １ ． ５ ｓ 实现 变频转工频， 用示波器进行观察， 其冲击电流的最大值 为２ ３ ． ８ Ａ， 小于电机直接起动时允许的最大电流 ３ ２ ． ９
在工矿企业的设备改造中， 越来越多的拖动装置 由原来的工频系统改为变频系统运行， 提高了产品的
质量， 节省了电能。对企业的某些重要设备（ 如风机泵 类等） 要求必须连续可靠的运行， 不允许中断。如果变 频系统出现故障， 必须在很短的时间内转工频电源， 使 电动机不间断运转。 在变频转工频时， 必须保证转换的 安全性与可靠性， 同时还要考虑经济性。 本文从分析电 动机变频转工频时的情况入手， 对目 前采用的同相转 换进行了讨论， 并提出延时转换的思想和方法， 并举例
一些不足 ：
（ １ ） 变频转工频时采用先投后切的方式， 而变频
器的输出电压是根据电动机的额定电压参数设定的， 当电网电压过高或过低时， 即便是同频同相的条件已 满足， 但同幅不一定满足。如果鉴相器不具备鉴幅功 能， 电网电压过高时进行变频／ 工频转换， 就会使变频 器损坏； 电网电压过低时转换， 会使变频器输出过流。 （ ２ ） 调频同相检测系统是对具体的变频器的硬件 进行调整、 实现闭环控制的， 所以厂家生产的同步切换 装置只能与自己生产的变频器或按自己要求指定生产 的变频器配套使用， 即不具有通用性。
摘 要： 对目 前变频转工频的方法进行了 讨论， 介绍了 延时转换的思路与方法。 关键词： 变频／ 工频； 同相转换； 延时转换 中图分类号 ： Ｔ Ｍ７ ６ 文献标识码： Ｂ
Ｄ ｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ Ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ Ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ Ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ ｔ ｏ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ａ ｕ ｃ ｙ
（ ３ ） 价格昂贵、 经济性差
针对上述的主要不足， 近两年出现了“ 差频同相检 测加上异步切换” 系统， 它是根据负载情况用软件程序
设计一个合适的频段， 该频段是指偏离工频的一个范
３ 变频／ 工频的同相转换
由以上的分析可知， 如果接上工频 电源时的电源
《 电气开共） （ ２ ０ ０ ７ ． Ｎ ｏ ． １ ）
一些对避免 电流冲击有好处， 但延时过长电机转速降 低过多， 投上工频电源后电机还要加速起动 ， 对生产带
的情况之外， 还要留有一定时间的安全裕量。 有条件的 地方最好先通过实验仿真， 确定 Ｔ ） ， ｍ衰减到零所需的 时间， 再加上 ２ －４ ｓ 的延时裕量， 就可安全地实现变频
转工频运行。实际工作的经验是： 对于 ５ ０ ０ ｋ Ｗ 以下的
围（ 即“ 差频” ） ， 在该范围内电动机等待着同相的转换 时机而进行转换。 只要设定好频段的大小、 灵敏度与选 择性 ３ 个技术参数， 就能指导系统快速、 平稳的进行先 切后投（ 又称异步切换） 。 由于是先切后投， 因此使用时不受电网电压过高 或过低的影响； 同时由于“ 差频同相检测” 采用开环控 制， 控制单元与变频器是非接触式的（ “ 同频同相检测” 是闭环控制， 控制单元与变频器是接触式的） ， 因此具 有较大的通用性。 但由于价格高， 加上参数设置需要一 定的经验， 所以实际使用该装置的情况不是很多。
ｍ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｏ ｆ ｔ ｉ ｍ ｅ 一ｄ ｅ ｌ ａ ｙｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｒ ｅ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．
ＨＵ Ｈａ ｏ Ｚ ＨＯ Ｕ Ｘｉ ａ ｏ 一Ｉ ｕ ｎ
Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ； ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ／ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙ ； ｓ ａ ｍ ｅ 一ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ ； ｔ ｉ ｍ ｅ 一ｄ ｅ ｌ ａ ｙ ｃ ｏ ｎ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎ １ 引言
头闭合自 锁， 常闭辅触头打开切断 Ｋ Ｔ线圈通路， 变频 转工频结束。
（ ２ ） 对于大中型 电动机， 采用 Ｐ Ｌ Ｃ控制变频运行 时， 通过检测系统故障， 实现变频延时转工频的全过 程， 其流程图如图 ２ 所示。当变频器输入端 Ｓ自动分 的气隙磁通 ： 闸， Ｐ Ｌ Ｃ控制变频器输出端 Ｋ Ｍ， 断开（ 见图 １ －ａ ） 后， ５ ４ ｍ －ｅ － ｀ ／ ＇ （ ２ ） 经延时接上工频电源。延时的时间除考虑电机及负载
电动机， 整个延时 ６ －８ ｓ ； 对于 ５ ０ ０ ｋ Ｗ 以上的电动机， 整个延时 ８ －１ ０ ｓ 就可以了。
如果在实际工作中需要更短的延时时间， 可在电
机定子侧接上三相灭磁电阻， 减少至合闸（ Ｋ Ｍ， ） 时的 电流冲击， 加快转子电流的衰减， 缩短 ４ ５ ｍ 衰减的时
间， 但这要增大一些设备投资。
说明延时转换成功的几个实例。
电压与电机感应电势同相位， 则可避免产生很大的冲 击电流， 因此， 利用“ 频率相位检测器” 实现同频同相合 闸， 就是 目前流行的变频转工频的一种方法。其“ 同频 同相检测加上同步切换” 系统是由“ 采样— 鉴相— 变频器” 组成的锁相闭环监控系统， 在变频／ 工频同频 后， 由鉴相器比较出一暂态相位差信号， 用该信号反复 来调整变频器的输出参数， 使变频／ 工频的稳态相位最 后趋于一致， 然后采用先投后切（ 又称同步切换） 的顺 序实现电动机变频与工频之间的转换。 这种“ 同频同相检测加上同步切换” 的方法也存在