1應用背景

提出同相位無沖擊的工變頻切換的背景是目前主流變頻器廠商僅有簡單的不考慮電網相位的工變頻切換方案，其缺點是從變頻控制切換到工頻的瞬間，由于電機有很強的反電動勢，當電網相位和電機反電動勢的相位不一致時，雖電壓幅值一致，但相位差造成的電壓差最大可接近電網電壓幅值，該電壓差施加在電機定子繞組上，與工頻直接啟動的情形類似，故切換瞬間電流可達7倍左右。大電流一方面造成低壓斷路器和電網變壓器的容量需要放大，另一方面造成轉子的力矩跳動，可能影響生產工藝，同時可能傷害機械，造成壽命下降。對于同步電機，此問題顯得極其嚴重，原因是同步電機轉子無阻尼，一旦切換瞬間相位不一致造成震蕩，則可能需要很長時間甚至無法衰減至穩定。

在電機輸入端串入三相電抗器可以改善非同相切換時的沖擊，但電抗器在重載的時候有顯著壓降，造成電機供電電壓不足，影響電機效率，同時又增加了成本和體積。最理想的方案是檢測電網相位，實現同相位切換。

2傳統直接切換的方案以及問題

直接切換的方案，如圖1，其控制步驟是：

KM1閉合，KM2閉合，KM3斷開，變頻器運行到工頻50Hz

變頻器關閉輸出，KM2斷開，KM3閉合。

由于電機在變頻器關閉輸出后，仍存在很強的反電動勢，其相位與電網的相位具有隨機性，當相位完全一致時，無任何沖擊，當相位差別達到180°æ™‚，加在電機繞組的電壓達到電網電壓的2倍左右，此時的沖擊電流高達電機額定電流的14倍，很可能造成跳閘或損壞傳動軸承等。

圖1變頻直接切換至工頻配電原理圖

3帶電抗器緩沖的方案以及問題

帶電抗器緩沖的方案，如圖2，是在直接切換方案基礎上加入電抗器，通過提高線路感抗，以降低在切換瞬間相位不一致時大電壓差造成的大電流。此方案能顯著降低沖擊電流，但串入的電抗器會引起較大壓降，因此切換完畢，還需要將電抗器短路，即KM3閉合。

圖2含輸入電抗器的變頻切換至工頻的配電原理圖

4消磁再切換的方案以及局限性

該方案在傳統直接切換的方案上，不增加硬件，僅通過變頻器軟件增加消磁功能實現。在變頻切換工頻之前，變頻器預先對電機快速消磁，以便于將電機的反電動勢降為零。此方案的優點是，切換至工頻的最大電流較原先方案有所下降，但缺點是僅適合異步電機。對于同步電機，其磁場是恒定的，無法通過消磁降低反電動勢，因而該方案不適應。

5同相位切換的實現原理

如圖3所示，驅動器內置同相位切換控制功能，要求驅動器安裝電壓檢測卡，以檢測三相電網電壓的實時相位。驅動器的參數P48.02設為1為同相切換激活，此時，驅動器進入等待相位同步階段。收到用戶的運行指令后電機開始運行，若電機的實際頻率與電網頻率接近，則驅動器開始調整電機相位直到相位誤差為0，此時狀態字的首位P48.00.00變為1，指示同相切換請求標志。控制板的繼電器R2建議用于同相切換控制，需修改其信號源P14.32為P48.00.00。當收到用戶的停機指令后，驅動器立即復位同相切換請求標志P48.00.00。

對于重負載應用，在驅動器關閉輸出且工頻接觸器尚未合上期間（實測大約10到30ms），電機由于負載的原因，速度可能跌落并造成相位誤差。通過修整電機相位加入適當的超前補償（參數P48.03，補償約5°åˆ°15°ï¼‰ï¼Œå¯ä»¥å®Œç¾Žè§£æ±ºã€‚

圖3變頻同相位無沖擊切換至工頻的控制電路原理圖

6實驗分析

如圖4所示，實驗采用國內普通同步電機，額定數據為90kw/380V/160A/1500rpm/50Hz，實驗測量的信號分別為ch2（紅）：電機線電流，ch3（藍）：電機的線電壓，ch4（綠）：切換接觸器輔助觸點信號。

第一階段，電機處于變頻控制，電流有效值約15A，線電壓為PWM波。第二階段為電機自由運行，電流為零，電壓為電機的反電動勢，大約持續15ms，為接觸器機械動作延時所致。第三階段，電機處于工頻狀態，工頻接觸器閉合，電機最大電流有效值約25A，約為額定的15%，電機無任何沖擊。從第二階段到第三階段，電機的反電動勢與電網電壓波形完全吻合，即同相位的結果。

圖4   90kw同步電機變頻切換至工頻的實驗波形圖

總結

變頻切換至工頻在節能應用場合有重要意義，實現最完美的變頻切換至工頻的方案是同相位切換，該方案的特點是平穩無沖擊，降低對配電容量以及低壓電氣容量的要求，提高電機以及機械設備的壽命。

庫馬克ES850系列變頻器在變頻同相位切換至工頻的應用具有簡單低成本以及切換平穩的優勢，適用于長期工作于工頻且要求節能的場合，如油田、紡織等。