高壓變頻器與工頻電源之間軟切換方式的研究

分類：解決方案日期：2007-03-27 00:00:00

摘要：工頻旁路運行是高壓變頻器的一種重要運行方式，高壓變頻器與工頻電源之間切換不當會引起很大的電流沖擊和嚴重的電磁干擾。提出了高壓變頻器與工頻電源之間的軟切換概念，論述了軟切換的原理及其實現方法，使用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件對幾種切換方式的仿真結果表明，高壓變頻調速系統的軟切換方式有效地避免了過大的沖擊電流，保證了電動機轉速的平穩過渡。
　　關鍵詞：高壓變頻器；工頻電源；軟切換；PSCAD/EMTDC
　　中圖分類號：TM921．51
　　引言
　　高壓變頻器故障或維護時，需要將電機從高壓變頻電源切換到工頻電源；多臺電機共用1臺高壓變頻器時，高壓變頻器要按一定順序把電機逐一變頻軟啟動，最后切換到工頻運行。因此，工頻旁路運行是高壓變頻器的一種重要運行方式。另外，高壓變頻器瞬時掉電再投人時需要高壓變頻器繼續對電機供電；風機、水泵等從工頻運行切換到高壓變頻調速運行等，都需要切換到高壓變頻器運行。高壓變頻器與工頻電源之間切換不當會引起很大的電流沖擊和嚴重的電磁干擾[1]。文獻［2］將高壓變頻電源與工頻電源之間的切換方式分為異步切換和同步切換。文獻［3］介紹了消除切換沖擊電流的幾種方法：投人電網時鑒定電壓相位、在電機定子接人三相滅磁電阻等。這些方法比較麻煩，實時效果差，電機轉速下降很多，電機轉差率成倍增大，導致電機切換瞬間的電流也可能成倍增大。眾所周知，異步切換時引起的電流沖擊最大，同步切換可以減少電流沖擊，也存在一定的電流沖擊。
　　在高壓變頻器工頻旁路切換時，不允許在實際系統內進行多次切換來驗證各種切換方式的效果。
　　本文提出了高壓變頻器與工頻電源之間的軟切換概念，論述了軟切換的原理及其實現方法，使用PSCAD/EMTDC電磁暫態仿真軟件對幾種切換方式進行了仿真研究。仿真結果表明，高壓變頻調速系統的軟切換方式有效地避免了過大的沖擊電流，保證了電機轉速的平穩過渡。
1高壓變頻器的切換方式
高壓變頻器的工頻旁路運行如圖1所示。高壓變頻器供電時，QSi，QS2，KM1和KM2閉合；工頻電網供電時QS3和KM3閉合。QS2和QS 3 , KM2和KM3在高壓變頻器運行時必須互相閉鎖，保證工頻電源與高壓變頻電源之間進行切換。QSl ,QS2 , QS3用來徹底切斷系統的電源。

圖1高壓變頻器的工頻旁路運行
Fig. 1 Bypass operation of inverter system
根據電機運行特性、工頻旁路切換頻度和對象系統的要求，高壓變頻器與工頻電源之間常用的切換方式分為直接切換、異步切換、同步切換以及軟切換。
a．直接切換。指在保證高壓變頻器與電網電源相序一致的前提下，直接倒閘切換工頻電源與高壓變頻電源，直接切換時不檢測電壓的幅值、頻率和相位。這種方式要求系統及保護能夠容許切換時的波動和沖擊，因而很少使用。
b.異步切換。指檢測電壓的幅值和頻率而不檢測電壓相位的切換。異步切換時最嚴重的情況出現在高壓變頻器輸出電壓與電網電壓的相位差1800時，會造成很大的沖擊電壓和電流，沖擊電流最大可達額定電流的30倍左右。這種方式要求系統能夠容許切換時的沖擊和轉矩變化，一般只用于小功率低壓變頻系統。
c.同步切換。指檢測電壓的幅值、頻率和相位的切換川。采用同步切換技術可以使切換電流不超過電機額定電流的2．5倍，同步切換時，轉速在工頻電源投人前后變化極小。
d.軟切換。指在檢測電壓的幅值、頻率和相位后，控制高壓變頻器輸出同頻、同相、幅值可控的電壓，實現“無擾”切換。軟切換有先投后切和先切后投兩種情況。工頻電源切換到高壓變頻電源的過程中，首先利用相位檢測和鎖相控制使高壓變頻電源與機端殘壓相位保持一致，在高壓變頻器的V/F保持基本不變的基礎上，選擇最優的高壓變頻器切換運行點，調整高壓變頻器的輸出電壓和頻率。這樣，投人高壓變頻器時電機基本無沖擊電流，電機的轉矩基本保持不變。高壓變頻切換到工頻過程中，用鎖相環鎖定工頻電源的相位和頻率，控制高壓變頻器使電機在稍微高于額定電壓和頻率的狀態下進行切換。這樣，就可以實現高壓變頻電源與工頻電源之間的軟切換。
2仿真及分析
　　本文使用PSCAD/EMTDC仿真軟件對圖1所示的系統進行了仿真研究。該軟件是由加拿大Manitoba大學高壓直流輸電研究中心研發的電磁暫態分析軟件包，其主要功能是進行電力系統時域和頻域計算仿真，典型應用是計算電力系統遭受擾動或參數變化時電參數隨時間變化的規律，對切換過程的暫態波形可以得到很好的仿真結果。PSCAD有網絡版(EE)和個人計算機版(PE)。PE版適用于低于15個節點的仿真系統，大于15個節點的系統要用EE版151。

圖2 PSCAD仿真用主電路
Fig. 2 Main circuit for PS-AD simulation
　　電機仿真參數如下：額定線電壓為6 kV，額定相電流為0. 159 kA，極對數為8,額定負載下的功率因數為0. 8，額定負載下的效率為0. 935，額定負載下的轉差率為0. 008，額定電壓下的啟動轉矩為1，最大轉矩為1. 8,額定電壓下的啟動電流為6(標么值），機械阻尼為0. 008。
　　2．1異步切換仿真
　　異步切換時電機定子電流波形如圖3所示。電機在工頻電源供電下穩定運行5．5 S時斷開工頻電源，5. 55 S時異步切換到高壓變頻電源。由圖3看出，異步切換時電流沖擊非常明顯，為額定電流的30倍左右，對電機和高壓變頻器造成很大的沖擊，而且電機恢復的穩定運行的時間較長，超過1. 5 S,電機震動非常劇烈。

　　圖3異步切換時電機定子電流i。的波形
Fig. 3 Stator current curve of asynchronous-switching
　　2．2同步切換仿真
　　同步切換時的電機定子電流波形如圖4所示。電機在工頻電源供電下穩定運行5．5s時斷開工頻電源,5. 55 s時同步切換到高壓變頻電源。由圖4可以看出，采用同步切換方式時電流有比較小的沖擊，大約是額定電流的2. 5倍。切換到高壓變頻電源0．25 s后，電機能重新進人新的穩定狀態。

圖4同步切換時電機定子電流i：的波形
Fig. 4 Stator current curve of synchronous-switching
　　2. 3軟切換仿真
　　軟切換時的電機定子電流波形如圖5所示。電機在工頻電源供電下穩定運行5．5s時斷開工頻電源，5. 55 s時軟切換到高壓變頻電源。由圖5可以看出，軟切換時高壓變頻電源開始由一個比較低的電壓和頻率對電機供電，在保證電機轉矩恒定的情況下，電機所受的沖擊電流非常小，與電機額定運行電流基本保持一致，逐步升高高壓變頻器的輸出電壓和頻率，使電機比較平穩地過渡到額定運行狀態，實現了無擾的軟切換。

圖5軟切換時的電機定子電流i：的波形
Fig. 5 Stator current curve of soft-switching
　　3軟切換方式的實現
　　軟切換是在同步切換的硬件基礎上，通過控制器的特殊邏輯設計，完成工頻電源與高壓變頻器之間的軟切換。電機運行在工頻電網需要切換到變頻調速運行時，首先利用相位檢測及鎖相控制使高壓變頻器跟蹤電機端殘壓相位和頻率，選擇最優的高壓變頻器工作運行點投人高壓變頻器，然后逐步升高變頻器的輸出電壓和頻率達到工頻電壓和頻率值，使電機逐步運行到額定狀態。這時電機沖擊電流最小，電機的轉矩基本保持不變。高壓變頻器旁路運行切換瞬間，控制變頻器提高變頻器的輸出電壓和頻率，跟蹤電機端殘壓幅值和相位進行切換，實現高壓變頻器與工頻電源之間軟切換。
　　4結語
　　高壓變頻器在工頻旁路運行的切換時，要盡可能減少切換過程對電網、高壓變頻器以及電機的沖擊。本文提出了高壓變頻器與工頻電源之間的軟切換概念，論述了軟切換的原理及其實現方法。對于需要頻繁切換的高壓大容量變頻拖動系統，采用軟切換方式可以避免過大的沖擊電流，保證轉速和轉矩的平穩過渡。