交流異步電機(jī)的工變頻同步切換

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. 目錄 1. SYN-TRANSFER技術(shù)詳細(xì)資料 2 1.1 SYN-TRANSFER技術(shù)介紹 2 1.2工作原理 3 1.3 主回路配置 4 1.4 系統(tǒng)外部原理圖 5 1.5 組成及操作界面說明 5 2.高壓變頻器切換工頻時(shí)非同期沖擊 6 2.1非同期沖擊原理 6 2.2非同期沖擊實(shí)驗(yàn) 7 3. 電廠風(fēng)機(jī)由變頻切換工頻切換和類似的方案 8 3.1風(fēng)機(jī)變頻到工頻切換方法 8 3.2同步切換方案 9 3.2.1方案一（帶電抗器） 9 3.2.2方案二（不帶電抗器） 10 3.1同步切換應(yīng)用方案 11 4.高壓變頻器水冷方式方案 14 1. SYN-TRANSFER技術(shù)詳細(xì)資料 1.1 SYN-TRANSFER技術(shù)介紹 同步切換是變頻器與工頻電網(wǎng)之間進(jìn)行無擾切換的技術(shù)，它利用鎖相技術(shù)，使變頻器輸出電壓的頻率、相位、幅值和電網(wǎng)電壓的頻率、相位、幅值保持一致，進(jìn)行變頻器與電網(wǎng)之間的無擾切換，防止因變頻器輸出電壓和電網(wǎng)電壓之間存在相位差而產(chǎn)生沖擊電流，損壞設(shè)備或拉跨電網(wǎng)。為重負(fù)載軟啟動（磨機(jī)）、多臺水泵順序自動變頻軟啟動、需要在工頻和變頻電源之間頻繁切換的系統(tǒng)。 同步切換的控制方法為: 同時(shí)檢測變頻電源和工頻電源的頻率、相位和幅值, 當(dāng)兩種電源的頻率差、相位差、幅值差小于規(guī)定誤差時(shí), 鎖定當(dāng)前電網(wǎng)頻率進(jìn)行切換。 電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻的切換一般是在變頻器輸出電壓和電網(wǎng)電壓的頻率、大小都相等的情況下進(jìn)行的，表面上看，此時(shí)兩個(gè)電源輸出電壓的大小、頻率都相等，似乎可以進(jìn)行平滑切換，不會對電機(jī)產(chǎn)生什么沖擊。其實(shí)不然，一個(gè)沒有考慮到的關(guān)鍵性的問題是——相位，即兩個(gè)電源電壓變化的步調(diào)是否一致。 在變頻轉(zhuǎn)工頻切換瞬間，由于變頻器輸出電壓起始相位具有隨機(jī)性，它所輸出的三相電源相位和電網(wǎng)工頻電源相位完全有可能不一致。SYN-TRANSFER技術(shù)非常必要。下圖是SYN-TRANSFER技術(shù)的原理圖。 高精度AD 轉(zhuǎn)換 電網(wǎng)電壓 主控對輸入輸出電壓檢測頻率相位 變頻器輸出電壓 高精度AD 轉(zhuǎn)換 鎖頻鎖相 成功 同步 切換 鎖相前、后的變頻和工頻電壓波形如圖1、圖2所示。比較得知，變頻器鎖相成功后，工頻電網(wǎng)電壓與變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相位基本保持一致，極大減小了投切時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流，保證了同步切換的可靠性。 從根本上講, 變頻電源與工頻電源的頻率不可能完全一致, 正是由于頻率上的不完全相等, 才可能實(shí)現(xiàn)相位差小于規(guī)定值的切換。由于變頻電源與工頻電源的頻率之間存在微小差異, 才能使兩者的相位差進(jìn)行調(diào)整, 當(dāng)兩者的相位差處于允許誤差的范圍之內(nèi)時(shí), 就會發(fā)生從變頻電源到工頻電源的切換。變頻電源與工頻電源的幅值并不要求完全意義上的一致, 實(shí)際中的變頻電源的幅值也未必會與工頻電源的幅值完全一致。 1.2工作原理 變頻器的同步切換按照運(yùn)行方式可分為頻工投切和工頻投切。系統(tǒng)原理圖如圖所示。 1. 變頻工頻投切：先由變頻器拖動電機(jī)運(yùn)行，當(dāng)變頻器的輸出電壓的頻率、幅值、相位都與電網(wǎng)相符時(shí)，將電動機(jī)切換到工頻電網(wǎng)運(yùn)行，然后將變頻切除； 2. 工頻變頻投切：電動機(jī)在工頻運(yùn)行而需要切換到變頻運(yùn)行時(shí)，開始變頻器進(jìn)行鎖相，當(dāng)變頻器的輸出電壓的頻率、幅值、相位都與電網(wǎng)相符時(shí)，將電機(jī)切換至變頻運(yùn)行，然后將工頻切除； 1.3 主回路配置 電抗器柜：內(nèi)含一臺電抗器和一臺真空接觸器，當(dāng)需要進(jìn)行同步切換時(shí)，需要將電抗器接入主回路，電抗器起到抑制涌流的作用。 旁路柜：內(nèi)含三臺真空接觸器和一個(gè)手動刀閘，實(shí)現(xiàn)變頻器運(yùn)行狀態(tài)和工頻運(yùn)行狀態(tài)之間的切換，QS1為手動刀閘，主要起到保護(hù)的作用。 變頻器：實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的作用。 同步切換控制柜：內(nèi)含PLC，實(shí)現(xiàn)對同步切換的過程控制。 變頻器至上級斷路器之間有合閘允許、分閘信號2個(gè)干接點(diǎn)，并接入上級斷路器進(jìn)行聯(lián)鎖。變頻器至同步切換控制柜PLC的電平輸入信號有高壓指示、運(yùn)行指示、鎖相成功信號、重故障指示4個(gè)信號。同步切換柜至變頻器的脈沖輸出信號有脈沖啟動、緊急停機(jī)、變頻鎖相、變頻復(fù)位4個(gè)信號。 1.4 系統(tǒng)外部原理圖 同步切換柜 變頻器柜 電抗器柜 旁路柜 1.5 組成及操作界面說明 同步切換控制柜主要完成對同步切換的自動和手動控制，其操作臺界面如下圖所示： 2.高壓變頻器切換工頻時(shí)非同期沖擊 2.1非同期沖擊原理 根據(jù)電機(jī)原理，三相電動機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的主磁場將在定子三相繞組內(nèi)感應(yīng)對稱的三相電動勢。三相異步電動機(jī)每一相定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 和定子每相所加的電源電壓只是頻率相同，幅值不等，相位也不一致，在相量圖上表現(xiàn)為與-存在一定的夾角。對大功率電動機(jī)來說，若斷開電源后，斷開后雖然主磁場消失，但曾經(jīng)被主磁場磁化的轉(zhuǎn)子鐵芯依然存在剩磁，與此同時(shí)由于慣性轉(zhuǎn)子依然高速旋轉(zhuǎn)，在定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢并不會在極短的時(shí)間內(nèi)消失，只是有所衰減。由于變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)間極短，定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢依然存在，因此必須充分考慮對切換過程的影響。 當(dāng)電機(jī)處于變頻運(yùn)行時(shí)，變頻器輸出電壓起始相位具有隨機(jī)性，變頻器只是保證了輸出電壓兩相之間的電壓相位差為120。當(dāng)其輸出頻率上升到50HZ后，我們進(jìn)行變頻轉(zhuǎn)工頻切換，假設(shè)此時(shí)變頻器三相電壓的某一相為，電動機(jī)相應(yīng)一相定子線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為，與之相對應(yīng)的工業(yè)電網(wǎng)工頻電壓中的一相為，它與變頻器三相電壓的某一相為存在相位差φ，如圖1所示。切換后，加在電動機(jī)定子繞組上的將與電動機(jī)定子繞組本身尚存的感應(yīng)電動勢進(jìn)行疊加，使得電動機(jī)每相定子繞組承受的總的電壓為,仔細(xì)觀察圖1可知，如果相位差在0~180之間由φ增大到，則電動機(jī)每相定子繞組承受的總的電壓由增大到。當(dāng)相位差在0~180之間增大到同相180時(shí)，這種疊加最為強(qiáng)烈，電動機(jī)每相定子繞組承受的總的電壓大小直接變?yōu)?，這個(gè)電壓已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電動機(jī)可以承受的額定電壓，它將引起電機(jī)電流過大、絕緣嚴(yán)重受損等諸多嚴(yán)重問題。因此，大功率電機(jī)切換過程產(chǎn)生非同期沖擊。 圖1 2.2非同期沖擊實(shí)驗(yàn) 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖2 (a) 為變頻電源與工頻電源相位相差3.6切換時(shí)的電機(jī)電流波形, 前半段為變頻電源驅(qū)動電動機(jī)的電流波形, 后面一段則為工頻驅(qū)動電機(jī)的電流波形。從該圖可以看出, 切換時(shí)的電流為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流的2倍, 電流過渡平穩(wěn)。圖2 (b) 為變頻電源與工頻電源相位相差180切換時(shí)的電機(jī)電流波形。由圖中可以看到切換時(shí)的電流為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流的8倍。圖2 (c) 為電機(jī)直接起動瞬間的電流波形。由圖中可以看到起動時(shí)的電流為電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流的6 倍。 由圖2(a)可以看出, 從變頻電源到工頻電源切換時(shí)仍有一定的沖擊電流。這是由于采用了同步切換方式中的先切變頻, 再投工頻的方式所致。在先切變頻, 再投工頻的方式中, 檢測到變頻電源與工頻電源的頻率差、相位差、幅值差小于規(guī)定誤差后, 從切除變頻到再投工頻仍有一定的時(shí)間差(乃二次回路和主回路上電器的動作時(shí)間所致) , 從而導(dǎo)致真正切換時(shí)刻變頻電源與工頻電源的相位存在偏差, 因而才有一定的沖擊電流。但總能把切換時(shí)的電流控制在1.5~ 2倍于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流大小上, 從而可實(shí)現(xiàn)變頻電源至工頻電源較平滑地切換。 由圖2中的波形比較可以看出: 當(dāng)變頻電源與工頻電源的頻率差、相位差、幅值差小于規(guī)定誤差切換時(shí), 切換電流遠(yuǎn)小于電機(jī)直接起動時(shí)的電流; 但當(dāng)相位相差180時(shí)切換, 則切換電流會大于電機(jī)直接起動時(shí)的電流。從而說明了檢測變頻電源與工頻電源的頻率、相位、幅值是實(shí)現(xiàn)該切換的核心部分。 圖2 (a) 同相切換時(shí)電機(jī)電流波形　 (b) 反相切換時(shí)電機(jī)電流波形　 (c)直接起動時(shí)電機(jī)電流波形 從變頻電源與工頻電源的頻率差、相位差、幅值差對切換時(shí)電流的影響來看, 頻率差與幅值差對切換結(jié)果的影響都不是很大, 主要是兩者相位差的影響。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明: 變頻電源到工頻電源切換時(shí)的電流倍數(shù)隨兩者相位差的增大而增大, 相位差為180度切換時(shí)為最大, 高于電機(jī)直接起動時(shí)的電流, 這從圖的比較中也可看出。因而, 電機(jī)切換過程產(chǎn)生非同期沖擊。 3. 電廠風(fēng)機(jī)由變頻切換工頻切換和類似的方案 3.1風(fēng)機(jī)變頻到工頻切換方法 方法一：設(shè)法降低感應(yīng)電動勢的幅值，待其降到其幅值小于0.33U后切入工頻。即先斷開變頻器，減少電機(jī)剩磁。然后進(jìn)行變頻到工頻的切換。 依賴時(shí)間的推移來降低電動勢幅值的方法會隨著時(shí)間的推移，讓其幅值減小到額定電壓的三分之一以下就可以了。這樣，即使切換至工頻電源時(shí)刻感應(yīng)電動勢與工頻電源的相位相差180，△U也不會超出其許可的安全范圍了。此方法簡單易行，安全可靠，成本增加較小，但仍存在不小的電流沖擊。通過試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，此種切換方法的沖擊電流約為額定電流的3-5倍。 方法二：在回路中串入合適的電抗，延時(shí)后將其短路掉。 通過合理設(shè)計(jì)的L參數(shù)，電機(jī)分擔(dān)的電壓就可以控制在允許范圍之內(nèi)，順利完成切換。此切換方法控制簡單，較為安全。但電抗器體積龐大，成本增加較多。沖擊峰值較大，但持續(xù)時(shí)間短。通過試驗(yàn)和現(xiàn)場測試，此種切換方法的沖擊電流峰值約為額定電流的4-5.5倍。 方法三：選擇合適的時(shí)刻，在電動機(jī)感應(yīng)電動勢的相位與工頻電源的相位差值較小的時(shí)刻切入工頻電源。即鎖頻鎖相同步切換。 同步切換的控制方法為: 同時(shí)檢測變頻電源和工頻電源的頻率、相位和幅值, 當(dāng)兩種電源的頻率差、相位差、幅值差小于規(guī)定誤差時(shí), 進(jìn)行切換。從變頻電源到工頻電源切換時(shí)仍有一定的沖擊電流。這是由于采用了同步切換方式中的先切變頻, 再投工頻的方式所致。在先切變頻, 再投工頻的方式中, 檢測到變頻電源與工頻電源的頻率差、相位差、幅值差小于規(guī)定誤差后, 從切除變頻到再投工頻仍有一定的時(shí)間差(乃二次回路和主回路上電器的動作時(shí)間所致) , 從而導(dǎo)致真正切換時(shí)刻變頻電源與工頻電源的相位存在偏差, 因而才有一定的沖擊電流。但總能把切換時(shí)的電流控制在1.5~ 2倍于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流大小上, 從而可實(shí)現(xiàn)變頻電源至工頻電源較平滑地切換。 3.2同步切換方案 3.2.1方案一（帶電抗器） 根據(jù)項(xiàng)目情況，如果變頻器做軟啟動，為保證在電機(jī)變頻運(yùn)行切換到工頻運(yùn)行時(shí)做到平滑無沖擊，因此，蘇州匯川技術(shù)有限公司建議采用加均流電抗器做同步切換的方案，系統(tǒng)方案一如下圖所示： 1. 控制邏輯說明： （1）初始狀態(tài)：所有開關(guān)全部斷開； （2）合QS1、QS2，變頻器得電； （3）啟動M1：合 KM1，啟動變頻器，變頻器驅(qū)動M1達(dá)到工頻狀態(tài)，之后斷開KM1，將電抗器接入主回路，合上KM3，電機(jī)處于兩路電源供電，變頻器通過控制輸出電壓相位角來控制變頻輸出電流減小，當(dāng)變頻器輸出電流減小為零時(shí)，斷開KM2，M1電機(jī)工頻運(yùn)行； 2. 可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)： 1. 實(shí)現(xiàn)M1電機(jī)軟啟動； 2. 實(shí)現(xiàn)M1變頻到工頻無擾切換； 3. 方案優(yōu)勢 在實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起時(shí)，無需將閥門調(diào)至最低或?qū)⒇?fù)載調(diào)制最低，操作方便； 在變工頻切換時(shí)可做到平滑無沖擊； 切換時(shí)電機(jī)一直保持50HZ運(yùn)行，不會出現(xiàn)失速情況； 方案可靠性高； 4. 方案劣勢 由于增加了均流電抗器，方案成本相對較高； 3.2.2方案二（不帶電抗器） 根據(jù)客戶項(xiàng)目情況，客戶電機(jī)功率小于1000KW，變頻器切換到工頻運(yùn)行不加均流電抗器切換瞬間沖擊電流約為電機(jī)額定電流的1.3～1.4倍，如果電網(wǎng)容量能夠承受此沖擊電流，可采用如下系統(tǒng)方案： 1. 控制邏輯說明： （1）初始狀態(tài)：所有開關(guān)全部斷開； （2）合QS1、QS2,然后合QF1、QF2變頻器得電； （3）啟動M1：合 KM1，啟動變頻器，變頻器驅(qū)動M1達(dá)到工頻狀態(tài)，之后斷開KM1，延時(shí)10s，合KM2，電機(jī)M1工頻運(yùn)行； 2. 可實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)： 1. 實(shí)現(xiàn)M1電機(jī)軟啟動； 2. 實(shí)現(xiàn)M1電機(jī)工頻到變頻的切換； 3. 實(shí)現(xiàn)單臺電機(jī)的變頻器運(yùn)行； 3. 方案優(yōu)勢 此方案不加均流電抗器，方案成本較低； 系統(tǒng)方案控制邏輯較簡單，可靠性高； 4. 方案劣勢 在電機(jī)軟啟動的過程當(dāng)中，需要將負(fù)載閥門關(guān)至最小位置，防止切換時(shí)產(chǎn)生大的沖擊電流，同時(shí)避免對機(jī)械部分造成損傷； 電機(jī)在變頻切換工頻時(shí)，首先斷開變頻器輸出，延時(shí)10s后再吸合工頻旁路，因此，電機(jī)會有一定的降速，切換時(shí)會有1.3～1.4倍的沖擊電流，因此要求電網(wǎng)容量能夠承受此沖擊電流。 不能將電機(jī)從工頻狀態(tài)切換至變頻運(yùn)行； 注：延遲10s的作用是使電機(jī)內(nèi)部的磁場自然衰減，防止產(chǎn)生沖擊。變頻器在斷開輸出后，電機(jī)內(nèi)部還有剩磁，轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，如果立即合工頻，則電機(jī)發(fā)出的電和工頻電網(wǎng)之間會有一個(gè)對沖，從而產(chǎn)生大的沖擊電流而使上級開關(guān)柜跳閘。 3.1同步切換應(yīng)用方案 應(yīng)用場合：貴州某化工廠CO壓縮機(jī) 電機(jī)功率：4000KW/10KV 變頻器容量：5600KVA Syn-transfer技術(shù)應(yīng)用方案 系統(tǒng)工作原理描述： 1、 變頻運(yùn)行 （1）確保KM4、KM5斷開，合上KM2； （2）首先合上QS1、 QF1，待高壓變頻器上電正常后，再合上KM1； （3）然后上位機(jī)先給變頻器頻率指令，再給啟動信號，變頻器加速到給定頻率； （4）在運(yùn)行過程中，可以根據(jù)工藝情況來改變給定頻率； 當(dāng)變頻器產(chǎn)生故障時(shí)，系統(tǒng)需要切換到工頻運(yùn)行； 2、 工頻運(yùn)行 （1）確保KM1斷開，KM5斷開，KM2合上。 （2）首先合上KM3、 QF2，待軟啟動柜上電正常后，再合上KM4； （3）然后上位機(jī)給軟啟動器啟動信號，軟啟動器進(jìn)行調(diào)壓軟啟動，待電壓到達(dá)額定電壓，KM5自動合上，KM3、KM4斷開，此時(shí)電機(jī)處于工頻運(yùn)行。 （4）在運(yùn)行過程中，可以根據(jù)工藝情況來改變閥門開度。 3、工-變頻切換 當(dāng)變頻器被修復(fù)后，可以把正在工頻狀態(tài)運(yùn)行的電機(jī)平滑切換到變頻運(yùn)行狀態(tài)。 （1） 變頻器處于工頻運(yùn)行狀態(tài)； （2） 需要將電機(jī)接入變頻運(yùn)行； （3）首先手動合上QS1、QF1，變頻器高壓上電； （4）變頻器鎖相成功后，綜合開關(guān)狀態(tài)信號，輸出切換就緒信號并在變頻器面板指示。 （5）當(dāng)切換就緒后，上位機(jī)（或變頻器面板開關(guān)）給變頻器工-變頻切換命令，變頻器先斷開KM2，保證電抗器接入；同時(shí)解除KM1和KM5之間的互鎖關(guān)系，接著變頻器發(fā)命令合上KM5。此時(shí)KM1和KM5同時(shí)合上，由電網(wǎng)和變頻器同時(shí)給電機(jī)供電。 （6）電網(wǎng)供給電流逐漸減小，變頻器供給電流逐漸增大，當(dāng)變頻器輸出電流增大到90%左右電機(jī)運(yùn)行電流后，斷開 KM5；接著合上KM2； （7）電機(jī)已被平滑切換到變頻運(yùn)行，之后斷開KM5； 4、變-工頻無擾切換 此切換不屬于主要工作狀態(tài)，切換過程類似工-變頻切換過程，不再累述。 4.高壓變頻器水冷方式方案 風(fēng)水冷卻系統(tǒng)是一種利用高效、環(huán)保、節(jié)能的冷卻系統(tǒng)。其主要原理是：將變頻器的熱風(fēng)通過風(fēng)道直接通過空冷裝置進(jìn)行熱交換，由冷卻水直接將變頻器散失的熱量帶走；經(jīng)過降溫的冷風(fēng)排回至室內(nèi)。風(fēng)冷裝置內(nèi)通過冷水溫度低于33 ℃，即可以保證熱風(fēng)經(jīng)過散熱片后，將變頻器室內(nèi)的環(huán)境溫度控制在40℃以下滿足變頻器對環(huán)境運(yùn)行的要求。從而，保證了變頻器室內(nèi)良好的運(yùn)行環(huán)境。冷卻水與循環(huán)風(fēng)完全分離，水管線在變頻室外與高壓設(shè)備明確分離，確保高壓設(shè)備室不會受到防水、絕緣破壞等安全事故。風(fēng)水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如下： 風(fēng)水冷示意圖 為了便于現(xiàn)場選擇和適用，通?，F(xiàn)場需要滿足以下條件： 1) 現(xiàn)場能夠提供的工業(yè)冷卻水溫≤33℃，且能夠提供的入口水壓在0.25～0.35MPa之間，回水壓力在0.08～0.15MPa之間。 2) 能夠提供必要的冷卻水量，根據(jù)冷卻功率大小，每套設(shè)備需要的循環(huán)冷卻水總量應(yīng)大于22m/h。 3) 需要為變頻器配備獨(dú)立的密閉式房屋，且房屋具有10㎝以上的保溫層或隔熱措施。 4) 房屋內(nèi)凈高不小于3.5m；在房屋的長度方向前或后部具有與房屋長度相當(dāng)，寬度不小于2.0m的施工和安裝場地。 5) 現(xiàn)場能夠提供兩路380VAC/3PH電源，變頻器室的電源需求容量為15kVA。 6) 冷卻水水質(zhì)要求無懸浮物沉積，PH值偏堿性≥7.2。 .