交流電動機并網控制器在石化系統中應用

[摘要>：交流電動機是廣泛用于各領域的重要動力設備，電動機數值可觀的起動電流及其對供電系統的影響長期困擾著人們，傳統的各種起動方式都有這樣或那樣的弊端。自變頻調速器問世以后，交流電動機的軟起動很好地解決了這一問題，但當前大量出現的問題是電動機升速到接近額定速切換到電網電源過程中，常常造成很大的沖擊并引起電動機保護起動跳閘，使切換失敗。交流電動機并網控制器很好地解決了這一問題，實踐證明電動機的電源切換是能無擾動平滑切入電網的。
關鍵詞：變頻調速器 同期 沖擊
1 前言
交流電動機廣泛用于國民經濟的各個領域，特別是同步電動機更以其很高的節能效率及能向電網提供無功功率受到人們的青睞。然而異步電動機可觀的起動電流，以及同步電動機不具備自行起動能力的缺陷一直困擾著人們。變頻調速器的問世成功地解決了這兩個問題，即用零起升速的軟起動方式完全消除了起動電流及同步電動機起動難所帶來的問題。但變頻調速器作為起動電源帶來了新的問題，即當電動機軟起動升速到接近額定速時需要實施電動機的電源切換，即從變頻調速器供電切換到電網供電。而長期以來人們所使用的切換方法導致電動機經常受到極大的沖擊，甚至誘發電動機保護動作使切換失敗。究其原因，是人們忽視了電源的切換是必須遵循交流電機同期（或同步）三準則的，即必須在變頻電源與電網電源的電壓、頻率相近時捕捉兩電源電壓相角差為零的瞬間完成電源切換。而當前普遍流行的切換方式卻忽視了最重要的相角差條件，這是損害電機的重要原因。
2 電源切換過程描述

圖2-1給出了交流電動機電源切換的示意圖，變頻調速器的輸出三相電源UV及電網電源US分別經自動轉換開關ATS給電動機M供電。起動程序是：變頻調速器按預先設定的升頻及升壓方式，通過ATS開關給電動機逐步由零升壓及升頻，并網控制器實時監測UV及US的頻差、壓差及相角差，當變頻器輸出電壓UV與電網電源電壓US的頻差△f及壓差△U達到預先設定的值時，并網控制器將在相角差 到達0°之前相當于ATS開關固有合閘時間tk的瞬間對ATS開關發出切換控制命令，實現電源無擾動切換。考慮到在ATS開關切換過程中，電動機將會在相當于開關合閘時間tk的時段內失去電源而進入惰轉減速狀態，因此，并網控制器應具備計及這一因素的自適應功能。也就是要考慮在切換過程中控制器測量到的△f及△U值會有一定程度的增加，發出切換命令的提前控制角要向增大方向作一定的修正。
3 并網控制器原理簡介
并網控制器是基于微處理器的智能控制器，考慮到電動機的工作環境較惡劣，控制器在防護及溫度適應性方面具有良好的品質。體積輕巧，安裝方便，且操作簡便，屬傻瓜型設計風格。控制器的主要輸入信號是變頻器的輸出電壓和電網電源電壓，直接取用相電壓或線電壓。控制器電源由電網電源的相電壓或線電壓提供，內部有專門的穩壓模塊，保證電壓有較大幅度的波動時仍能正常工作。控制器輸出用以驅動ATS開關的接點容量為400VAC，5A。
控制器從輸入的UV和US單相電壓獲取兩電壓的實時電壓差 、頻率差 及相角差 的信息，根據預先設定的ATS開關切換時間tk、容許切換頻差△fy及容許切換壓差
△Uy，控制器按計及頻差△f及△f的一階導數d△f/dt及二階導數d2△f/dt2的微分方程快速求解發出控制切換命令的提前角 ，如圖3-1所示，其數學表達式如下：

式中 為兩電壓的角頻率差，可以看到，當UV升速過程中與US之間的相角差為 時控制器發出切換命令，經過ATS開關的切換時間tk后，恰好在UV與US重合時ATS開關在已切斷變頻電源UV的前提下給電動機接入US，ATS開關因在機械上實現了兩路輸入電壓的互鎖。因此，完全杜絕了目前使用兩個接觸器（或斷路器）時可能發生的UV與US短路現象。
為保證在UV的升速過程中不失時機的捕捉到切換時機，控制器還采用了理想提前角 的預測算法，確保不放過首次出現的切換時機。
控制器面板上設有簡潔的如下人機交互界面，如圖3-2所示：

圖3-2 并網控制器面板布置圖
（1） 同步表：
由12個LED發光二極管組成的園形同步表，兩相鄰LED的角差為30°，同步表的功能是：
A、 指示在UV及US兩輸入端接入兩同頻率交流電壓的相角差，即用以“核相”；
B、 指示在UV及US兩輸入端接入兩不同頻率交流電壓的瞬時相角差，及兩電壓的頻差極性，如LED燈順時針方向閃亮，表明UV的頻率高于US，反之則為fV＜fs；
C、 同步表園心的紅色LED燈閃亮表明正在實施切換操作，持續點亮時間為控制器預置ATS開關切換時間定值的二倍。
（2） 參數設置拔碼開關
有三組參數設置拔碼開關；
A、 ATS開關切換時間設置拔碼開關：三位，每位有0～9十個狀態，三位開關設置值為000～999毫秒；
B、 容許頻差設置拔碼開關：一位，0～9十個狀態，設置值為0～0.9Hz；
C、 容許壓差設置拔碼開關：一位，0～9十個狀態，設置值為（5%、6%、7%、8%、9%、10%、12%、14%、16%、20%）額定電壓。
（3） 狀態指示燈二個
A、 電源指示燈；
B、 控制器故障報警燈。
（4） 工作/標定選擇開關。確定控制器當前是處在并網工作狀態或電壓值標定狀態
（5） 復位按鈕及標定按鈕。對控制器實施復位操作或執行電壓標定
（6） 接線端子排
共15個端子，接入信號有四類：
A、 控制器電源3個端子可選擇輸入380VAC或220VAC；
B、 電網電壓4個端子可選擇輸入100VAC或220VAC或380VAC；
C、 電動機電壓（變頻器電壓）4個端子，可選擇輸入100VAC或220VAC或380VAC；
D、 切換控制輸出接點，4個端子即兩對接點。
4 并網控制器結構尺寸
如圖4-1

圖4-1 控制器結構尺寸
5 結束語
變頻調速器的出現為改善交流電動機的起動條件，及提高電動機拖動設備如水泵、風機等的節能效益起到了積極的作用，因此變頻器得到了廣泛的應用。近年來我國豐富的稀土元素又促進了稀土永磁同步電動機的發展，同步電動機較之異步電動機的高效率及能向系統提供無功功率的優勢更受到人們的青睞，為實現我國節能減排重要國策起到了強有力的支撐作用。隨著交流電動機與變頻調速器的匹配聯動，電動機在完成起動過程后轉由電網電源供電的切換操作就顯得非常重要，根據不完全統計，當前幾乎所有電動機由變頻電源切換到電網電源的操作都只是遵循頻率相近的原則。而忽視了最重要的相角相近的原則。因此，電源切換頻頻產生對電動機的沖擊甚至跳閘，造成損毀設備的嚴重后果。本文介紹的并網控制器從根本上杜絕了前述問題，這對于大量使用的同步電動機及轉子可能在定子斷電時還殘存剩磁的異步電動機是不可或缺的安全保障。