交流异步电动机变频转工频切换存在的问题

简介： 工业频率在一台变频器控制多台大功率异步电动机软启动的情况下，必然涉及到异步电动机变频转工频的切换过程，在此过程中被切换电机就可能出现定子绕组电压过大从而产生过大的切换冲击电流，对电动机的电气特性和机械特性造成破坏性损伤。本文针对异步电动机变频转工频的切换过程进行了详细分析，同时对限制切换冲击电流提出了解决的思路。
1问题提出
在由一台变频器控制多台大功率异步电动机软启动的过程中，先启动的电动机的供电电压在频率和大小由0HZ/0V逐渐上升到电网电压的大小和频率后（50HZ/380V），由变频器供电的电源 target=_blank>变频电源和由电网供电的工频电源已经没有多大区别，此时电动机已*可以从由变频器提供的电源 target=_blank>变频电源切换到由电网供电的工频电源上，让出变频器控制下一台大功率异步电动机的软启动。在上述电机由变频到工频快速切换过程中，必须保证切换电流不能过大，特别是对大电机来说更是如此。
由前面的叙述可知，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。
2问题分析——相位不一致对变频／工频切换过程的影响 
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*有可能不一致，这种情况对切换过程的影响可用三相异步电机任意一相的相量图（图1）来加以说明。
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，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。
 

图1 三相异步电机变频转工频相量图
当水泵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，只是保证了两相之间的电压相位差为1200。当其输出频率上升到50HZ后，我们进行变频转共频的切换，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4-8可知，如果与的相位差在00~1800之间由φ增大到φ，，则电动机每相定子绕组承受的总的电压由增大到。当与的相位差在00~1800之间增大到与同相时，这种叠加zui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U2+E1，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中电源 target=_blank>变频电源和工业电网工频电源的相位是否一致是切换成功与否的关键因素。 
3解决思路
根据上面的分析，大功率三相异步电动机由电源 target=_blank>变频电源到工业电网工频电源切换成功与否关键是在于切换时机的把握上。如图1所示，如果我们把与-同相位这一瞬间作为切换时刻，此时与的相位相反，定子绕组承受的总电压大小||=|+|= U2-E1将是zui小，这一瞬间进行切换，将会实现变频转工频的*切换。但是，这种*切换实现起来比较困难，主要在于检测比较困难。既然*切换不容易实现，那么我们退而求其次，如果我们把与同相位这一瞬间作为切换时刻，观察图1的相量图可知，此时定子绕组承受的总电压=+虽然不如*切换时的总电压||=|+|= U2-E1小，但也将是非常小的，况且检测的相位比起检测来要容易得多。如果我们使用鉴频鉴相控制器对电源 target=_blank>变频电源和电网工频电源的相位进行检测，当检测到两者相位一致时便发出切换指令，便可实现大功率异步电动机的顺利切换。