變頻器的變頻切換
針對采用變頻自動化控制系統中，在使用變頻器拖帶慣性負載運行過程、遇到變頻器由工頻供電切換到變頻供電時，產生過大的沖擊電流而損壞變頻器，導致系統不能正常工作的情況，分析說明、并提出應對的解決方法。
1 引言
變頻器、實際就是運動控制系統中的功率變換器，提供可控的高性能變壓變頻交流電源，在自動化控制系統應用越來越廣泛，其中變頻器應用最突出的特點有一臺變頻器與電動機組、多臺變頻器與電動機組協調運行，共同完成一項生產過程，在控制方式上常用PC、PLC聯動組網等控制方式，有變頻調速傳動系統、也有變頻恒壓泵控系統和風機類控制系統等，本文主要講述變頻器在應用運行時要注意的問題及解決方法。
2 慣性負載電流對變頻器的沖擊
常用由變頻器拖帶的慣性負載、要通過工頻供電或變頻器的切換調壓供電，通常的用電負載都是電動機。此時的電動機、在工頻與變頻切換時、電動機的轉速不要下降太多。所以切換時間應盡量地短；另一方面，還要縮短切換時間，但在切換瞬間，電磁過渡過程遠未結束，存在著定子繞組的電動勢與電源電壓疊加的問題。即產生大電流的原因十分明顯，如果電動機由原變頻跳變到與工頻電源接通，在切換接通的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢同相，如圖1所示，則切換時將沒有附加的沖擊電流；反之，如果電動機由原工頻跳變到變頻時與電源接通，即在切換接通的瞬間，電源電壓恰好與定子繞組的電動勢反相，如圖2所示，則切換時必將產生很大的沖擊電流，在最嚴重的情況下，沖擊電流可接近于直接起動電流的2倍。但沖擊電流的大小與變頻器拖帶慣性負載大小有關，對不同負載、其具體措施也不相同。
2.1 拖帶大慣性負載時
大慣性負載在自由制動過程中，轉速下降較慢，可達數秒或數十秒。此時電磁反應過渡過程的時間很短，只有1s左右。因此，在電動機從變頻電源上斷開，到接通工頻電源之間的延時，只要調整到大于1s，就可以“躲開”電磁過渡過程，也就避免了沖擊電流的產生。
2.2 拖帶小慣性負載時
如部分風機類和泵控系統的電動機，其自由制動的過程與電磁反應過渡過程十分接近，則切換時必須進行相位搜索，以保證在接通工頻電源的瞬間，工頻電源的電壓與定子電動勢處于同相位狀態（或接近于同相位狀態），從而避免沖擊電流。
3 差頻同相的提出依據
對于大慣性負載、其電動機的運行通常由變頻切換在工頻上運行，從圖1看出：電磁反應過渡過程的時間TF都較易調整大于時間TD就可避免了沖擊電流的產生。而風機類和泵控類的小慣性負載電動機、要避免沖擊電流過大，就必需將圖2的電源電壓波形與電動機定子繞組電動勢波形調整到同相位時進行變頻切換到工頻，才能有效防止過大的沖擊電流。而采用“差頻同相”的切換方法，可使切換瞬間最大電流的峰值不超過電動機額定電流的2倍（IM′≤2IMIN）。
4 差頻同相的實施
在變頻器輸出頻率與電源頻率切換時，利于兩者的同相點之間將不斷地作相對移動、從而“捕捉”到同相點。差頻同相的方法既簡單又可靠，但也要對變頻器和慣性負載的切換響應有所考慮。
4.1 上限頻率的合理預置
因為變頻器的輸出頻率與電源的頻率差△？越小，則同相點之間作相對移動的速度就越慢，“捕捉”同相點就越困難。所以，變頻器的上限頻率預置應小于50Hz的某個數值（如49.5Hz）。這個要求在變頻泵控系統和風機類控制系統的工作并不相悖。從節能的觀點出發，這兩大類控制系統的預置時，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或稍高一些是合理的。
4.2 預置切換的工作過程
當變頻泵控系統或風機類控制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，控制系統通過控制電路或程序將向“自動轉換監控器”發出切換指令。“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，切換工作即告完成。
4.3 關于切換時間（100ms）的預置
由上述的分析、并按所提的預設方法，當變頻器由工頻切換到變頻時，同相點的跟隨時間都很快。在拖帶風機類和泵控系統較大慣性負載時，其沖擊電流沒有出現過大，對較小慣性負載時，其切換跳變非常平穩、也沒有出現過大沖擊電流，其峰值電流沒超過電動機額定電流的1.5倍（IM′≤1.5IMIN）。
5 接入限流電抗器
隨著變頻器的廣泛應用，變頻器內部的保護電路、切換預置等已越來越完善。如果變頻器本身具有切換功能者，一般都可以實現從工頻運行切換至變頻運行，切換時變頻器將自動進行頻率搜索。對變頻器拖帶慣性負載的應用，有內預置也有外置，通過程序的編寫就能達到設計的目的，如采用PLC可編程控制器PID的調節來達到切換的時間響應，使變頻器在頻率切換時平穩、避免過大的沖擊電流。但要注意的、當自行設計切換電路進行切換時，由于無法起動變頻器的“頻率搜索”功能，故切換時必須有可靠的限流措施，以保護變頻器。經過多次的試運行、建議采用的限流措施便是在變頻器和電動機之間接人輸出電抗器XL，在變頻器頻率切換時、電路分別接入KM1與KM2，用KM3接入工頻電源，如圖5所示。由于在工頻運行時接人電抗器會降低功率因數，故電抗器僅在變頻運行時接人。
6 結語
通過對多臺設備的改造及實驗調試，考慮變頻恒壓泵控系統和風機類控制系統在切換運行過程中，響應時間沒有太高的要求，切換時間的預置都較慢些，系統運行相當平穩，沒出現太大的沖擊電流。在一些自動控制系統拖帶有大小變動的慣性負載、而且要求變頻器切換快速的生產線等設備，采用上述的方法進行反復調試，系統運行避免過大的沖擊電流，有效保護變頻器由工頻電源切換變頻電源的平穩切換過程，使系統設備正常運行。
