1 問題的提出

為減少電機啟動電流對電網的沖擊和擺脫電網容量對電機啟動的制約，有用戶提出用變頻器啟動電機，在將頻率升到50 Hz后切換至工頻，之后再用變頻器去啟動其它電機。雖然這種切換思想備受爭議，但卻在一些場合得到了一定的應用，例如一拖多的供水控制系統(tǒng)、拉絲機系統(tǒng)、鉆機系統(tǒng)等。

電動機變頻運行切換至工頻運行的主電路如圖員所示。切換的基本過程只有兩個：

1)斷開接觸器KM2，切斷電動機與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM3，將電動機投入到工頻電源上。

根據(jù)上述兩個過程的先后順序的不同，將有兩種切換方式，即“先投后切”和“先切后投”。

先投后切的切換方式只能用在具有同步切換控制功能的變頻器中，這種方法已在中、高壓變頻器中得到了成功應用。而現(xiàn)在的低壓變頻器普遍采用的是兩電平的主回路結構，正是這種主電路結構決定了其不能采用先投后切的控制方式，只

能采用先切后投的控制方式。作電機變/工頻轉換時大多會遇到過這樣的情況：電機由變頻運行狀態(tài)直接向工頻運行狀態(tài)切換時，有時會產生特別大的沖擊電流，能達到其直接啟動電流的兩倍，即為其額定電流的十四五倍，但有的時候卻幾乎沒有電流沖擊;而斷開變頻一段時間后再轉向工頻時就不會再出現(xiàn)太大的沖擊電流，延時的時間越長出現(xiàn)的沖擊電流的峰值就會越小，這是為什么呢?下面予以分析。

2 問題的分析

三相電動機正常運行時，以同步轉速旋轉的主磁場在定子三相繞組內感應產生對稱的三相電動勢。若斷開電源后，主磁場雖然消失，但曾經被主磁場磁化的轉子鐵芯依然存在剩磁，與此同時由于慣性轉子依然高速旋轉，在定子線圈產生的

感應電動勢并不會在極短的時間內消失，而只是有所衰減。圖2 是一臺37 kW電機兩相之間，在斷開變頻器輸出前、后的的定子繞組的電壓波形，由此可看出，斷開電源后定子線圈的感應電動勢呈逐漸衰減的過程。圖3 是圖2 的展開圖形，仔細觀察該圖可以看出，隨著轉速的降低，定子繞組電壓頻率也在緩慢的下降。

由于變頻器輸出的是PWM 波，其相位不易觀察，所以測得在工頻狀態(tài)下的電壓波形，對其進行進一步的分析。因為變頻器50 Hz 時的輸出電壓與工頻電壓作用在電機上基本是等效的，并不影響分析結果。圖4 是一臺2.2 kW 電機在工頻電源

下突然斷開電源后的電壓波形圖，由該圖可以看出，電壓波形沒有跳變，所以斷開瞬間感應電動勢與電源電壓同相位，其幅值也基本相等。隨著剩磁的慢慢消失，電壓幅值逐漸降低，同時伴隨著轉速的降低感應電動勢的頻率逐漸下降，其相位也逐漸與電源相位拉開。頻率越低，單位時間內拉開的相位差也就越大。

據(jù)此，繪出斷電后電機感應電壓Ud在極坐標下衰減的向量示意圖，如圖5 所示。

從圖4 和圖5 中可以看出，瞬間斷開電源后，電機感應電壓有所衰減，同時感應電壓與工頻電源電壓的相位已開始拉開，不同時刻投入工頻電源，將會產生不同的吟U。圖6 是電機重新投入電源時的等值電路和相量圖。

圖6 中：U為工頻電源電壓;

變頻器輸出電壓起始相位具有隨機性，只是保證了相與相之間的電壓相位差為120毅。當變頻器輸出頻率上升到50 Hz后，在進行變頻轉工頻的切換時刻，如果變頻器的輸出正好與工頻電源的相位相差180毅，切除變頻后立即投入工頻的

吟U將達到近2倍的工頻電壓，遠遠超過了其允許電壓的1.33 倍。吟U過大將產生很大的沖擊電流，直接作用于切換系統(tǒng)和電動機，這不但導致切換失敗，甚至可能導致電機和切換系統(tǒng)的損壞。假設在切換時刻變頻器輸出的相位與工頻電源是相同的，在圖7所示的重新投入電源的安全區(qū)域圖中，以C為圓心，1.33U為半徑繪出A蓻B，其右側為投入工頻電源的安全區(qū)域。這樣我們就得到C蓻E、F蓻G、H點以后的三個安全投入工頻電源的時間范圍。

3 解決方案

在所有的變頻-工頻切換控制中，都應保證變頻器拖動的電動機和工頻電源拖動的電動機的轉向應該是一致的。通過以上分析可以看出C蓻E、F蓻G 、H 點以后三個安全投入工頻電源的時間范圍，都是由相位和幅值共同作用的結果，但還可以分別從相位和幅值兩方面入手來尋求解決辦法。

方法一：設法降低感應電動勢的幅值，待其幅值降到約0.33U后切入工頻。

方法二：選擇合適的時刻，在電動機感應電動勢的相位與工頻電源的相位差值較小的時刻切入工頻電源。

在前面的分析中知道電機承受的電壓Um=吟U伊Xm /(Xm+Xs)，如果在回路中串入一電抗承擔一定的電壓，使電動機承擔的電壓在允許范圍之內，這樣就得到了另一種方法，即方法三：在回路中串入電抗，延時后將其短路掉。

3.1 降低感應電動勢的幅值

依賴時間的推移來降低電動勢幅值的方法是不可取的。因為隨著時間的推移，轉速也在快速的下降，轉差的增大將不太有利于啟動電流的減小。

對圖1 的切換控制主電路進行優(yōu)化，得到如圖8所示的切換控制主電路。

切換過程如下：

1)斷開接觸器KM2，切斷電動機與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM4，為電動機感應電動勢提供釋放通路;

3)斷開接觸器KM4;

4)接通接觸器KM3，將電動機投入到工頻電源上。

圖9 是接觸器KM4 作用之后對電動勢影響的對比圖。由圖9可以看出，KM4提供通路的作用時間約為300 ms，與一般狀態(tài)同一時刻的感應電動勢幅值相比小了很多。適當控制KM4的作用時間，讓其幅值減小到額定電壓的1/3 以下就可以了。這樣，即使由變頻切換至工頻電源時感應電動勢與工頻電源的相位相差180毅，吟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。通過試驗和現(xiàn)場測試，在KM4 的作用過程中，會加快電機的轉速下降，KM4 的作用對電機轉速的影響比對感應電動勢幅值的影響要明顯得多。所以此種切換方法的沖擊

電流約為額定電流的3~5倍。

3.2 在回路中串入電抗

在回路中串入電抗器的電路如圖10 所示。

切換過程如下：

1)斷開接觸器KM2，切斷電動機與變頻器之間的聯(lián)系;

2)接通接觸器KM4，在電源與電機間串入L;

3)接通接觸器KM3，將L 短路掉，將電動機投入到工頻電源上;

4)斷開接觸器KM4，完成切換。

通過合理設計參數(shù)L，就可以將電機分擔的電壓控制在允許范圍之內，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。沖擊電流峰值較大，但持續(xù)時間短。通過試驗和現(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。

3.3 相位檢測

該方法應首先保證在KM2斷開時刻，變頻器的輸出與工頻電源是同相位的。圖7 中C-E 時間的長短取決于感應電動勢頻率的變化，而感應電動勢的頻率是由電機的轉速決定的。斷電后電機及其拖動系統(tǒng)處于自由制動過程。根據(jù)電力拖動原理，在自由制動過程中，轉速的基本表達式是

按照過渡過程的一般規(guī)律，拖動系統(tǒng)的機械時間常數(shù)tp約為系統(tǒng)自由停機時間的1/3。各種系統(tǒng)自由停機的時間是不同的，有的為十幾s 的時間，而有的就長達十幾min 甚至幾十min。在停機時間較長的系統(tǒng)中，在同相位時，可以比較容易的在C-E時間段內完成斷開KM2接通KM3的過程，接觸器KM2、KM3的動作時間可以忽略。但在停機較快的系統(tǒng)中，必須考慮接觸器的動作時間。接觸器的動作時間往往決定著切換控制的成敗。

因感應電動勢的頻率與電機轉速是成正比關系，所以在自由制動過程中，電動機感應電動勢的基本表達式可依據(jù)公式(1)寫成

由式(2)分別作出tp=20 s、60 s、120 s時的電動機感應電動勢頻率衰減曲線，如圖11 所示。

由圖11 可以看出隨著時間的推移，感應電動勢的相位與工頻電源的相位逐漸拉開，tp 越小拉開越快，t1 時刻tp=20 s的相位僅比初始動作時間推遲了40 ms 的時間，但與工頻相比相位差幾乎達到了90毅，這時的吟U 就會較大，有可能造成切換的失敗;但tp=120 s的相位比初始動作時間推遲了80 ms 的時間，與工頻相比相位差只有60毅左右，吟U就不會超過工頻電源電壓，可以安全的切換。通過以上分析可知，該切換方法對停機過程較長的系統(tǒng)可以比較容易實現(xiàn)，而停機過程較短的系統(tǒng)就不太適用了。

4 JD-BP 系列變頻-工頻軟切換裝置

山東新風光電子科技發(fā)展有限公司在相位檢測的理論基礎上，開發(fā)出了JD-BP 系列變頻-工頻軟切換裝置。該裝置運用了提前切換的控制思想，在大量試驗和現(xiàn)場測試的基礎上成功解決了電動機變頻與工頻的切換問題。運用該裝置的大慣性的切換系統(tǒng)，在轉換瞬間幾乎看不到電流的波動，電動機及其拖動系統(tǒng)也無振動現(xiàn)象。在降速過程較快的供水系統(tǒng)中切換瞬間的最大沖擊電流的峰值也被控制到了1.5 倍的額定電流以下，取得了令人滿意的效果，本裝置已被國家知識產權

局評定為實用新型國家專利，現(xiàn)介紹如下。

4.1 提前切換的目的

該裝置對通過檢測相位的方法進行了完善，以提前動作的方法來彌補接觸器動作的延遲。變頻器的輸出和工頻電源如果都是絕對的50 Hz，那么兩者之間的相位差是固定不變的，這樣就談不上相同相位時刻的切換問題。即使由于兩者的誤差

而引起出現(xiàn)同相位的時刻，也會因其隨機性太大，而不能用到實際的控制中。在實際的應用中，將變

頻器的輸出頻率稍微調高一些，這樣就可以比較容易地得到它與工頻電源同相位的時刻了，并且保持在每一個同相位時刻來臨之前，使變頻器輸出的電壓相位總是超前于工頻電源相位。在該段時間的某一時刻斷開變頻器的輸出，則電動機的

感應電動勢的相位也是超前于工頻電源的。因此，隨著切換過程的推移，電動機感應電動勢的頻率逐漸下降，這樣就可在與工頻電源同相位時投入工頻電源，從而順利完成電動機從變頻運行到工頻運行的切換。雖然有些系統(tǒng)中提高電機的轉速會對系統(tǒng)產生影響，但由于頻率提升很小，而且切換過程短，所以其影響可忽略。

4.2 切換過程

當系統(tǒng)中的變頻器運行到50 Hz，并且經過確認需要向工頻切換時，軟切換裝置開始檢測工頻電源與變頻器輸出的相位，根據(jù)調試時的設定，升高變頻器的頻率，頻率到達后系統(tǒng)再向軟切換裝置發(fā)出切換命令。軟切換裝置在得到系統(tǒng)發(fā)出的切換指令后，捕捉到同相位時刻，命令系統(tǒng)斷開接觸器KM2，接通接觸器KM3。兩接觸器之間是互鎖的，但兩者之間并沒有人為的延時，得到的切換命令是同時的。

4.3 效果分析

圖12是tp=20 s 的電動機感應電動勢的等效曲線與工頻電源的相位比較圖。

圖12 中等效曲線的t0-t1 階段是變頻器輸出在50.5 Hz 時的等效曲線，t1 右側是斷開變頻器后電動機感應電動勢的頻率衰減曲線。由此圖可以看出t1時刻兩者的相位差也只有60毅左右，t3時刻兩者的相位差不到60毅，考慮到接觸器動作的延遲，在t3 時刻之前投入工頻電源是安全的。通過調整我們可以在t2時刻前后投入工頻電源，這樣可以將吟U降到最小。同時由于整個過程沒有延時，切換時間短，再加上頻率的升高，電機轉速下降極少，更有利于減小沖擊電流。

5 結語

該裝置電路簡單，附屬電路少，抗干擾能力強，切換效果好，可適用于各種變頻-工頻轉換的系統(tǒng)。