①冷切换。冷切换为在变频器停电时进行切换,等切换完成后再开机运行。也就是说,当电动机停止运行时,将电动机的驱动电源由变频器切换到工频电源,或者由工频电源切换到变频器。这种方式最为简单,只要增设两个适当容量的断路器或接触器即可,切换过程可以手动控制也可由PLC控制。
②热切换。热切换为在变频器运行中进行的带电切换,又可分为硬切换和软切换。
硬切换是指电动机在切换时要瞬时停电,再由变频器切换到工频电源,或者由工频电源切换到变频器。此种切换方式难免会产生电流冲击,一般只用于功率较小的低压变频驱动系统。当在变频器的控制下,电动机的转速达到额定值,变频器输出电压的频率与电网频率(50Hz)一致时,将电动机从变频器驱动切换到工频电源驱动。由于电动机容量比电网容量小很多,切换过程对电网的影响可忽略。但是必须防止切换时电网电压对变频器中功率器件的冲击,以免造成变频器过电流跳闸或开关器件损坏。
软切换也叫同步切换,是真正的不停电平稳切换。当电动机功率较大(一般在100kW以上),尤其是高压变频器切换时,切换过程不仅要求变频器输出的电压和频率与电网一致,而且两者的相位也必须相同。如果相位差较大,会造成对电网和变频器双方的冲击,不仅达不到软启动的效果,还会影响电网上其他设备的正常工作并损坏变频器。最严重的情况出现在变频器输出电压与电网电压的相位差为180°时,电动机的反电动势将与电网电压叠加,造成很大的电压冲击和过电流。
(2)硬切换的危害及改进方法
①由变频器向工频电源切换。变频器拖动电动机进行软启动,逐渐升速,当变频器输出频率达到50Hz、电压达到额定电压、电动机的转速也已达到额定转速时,快速将电动机从变频器中切出,再立即投入工频电源运行状态。通常在切换前必须保证变频器的输出电压与电网电压同相序,最好进行电压的幅值、频率及相位跟踪,使其与电网尽量保持一致,否则将会引起严重的后果。另外,为了避免变频器突然甩负荷而使功率器件承受过大的电流、电压冲击而损坏,在将电动机从变频器上切离之前,应先封锁变频器的输出。
当电动机断开电源后,由于定子开路,定子绕组中储存的磁场能量要经过较长的时间才能衰减完,而转子是短路的,转子电流将按一定的时间常数衰减。因转子还在旋转,转子电流产生的磁通就会在定子绕组中感应出电动势(反电动势)。感应电动势的频率和相位是随着转子转速的变化而变化的。当转子电流尚未衰减到零时,若合上工频电源,会因为电源电压与定子储能电动势和转子感应电动势存在的相位差而产生冲击电流。若合闸时电源电压与感应电动势的相位差刚好为180°时,将会产生比启动电流还要大的冲击电流,这会影响到电网的安全运行及电动机的寿命。因此,电动机在断开电源后,应该等转子电流充分衰减后再合上电源。转子电流衰减的时间视电动机容量的大小及其所带负荷的大小而异,一般为1~3s。
由电动机反电动势引起的过电流与电动机启动时因为转子堵转(s=1)所产生的堵转电流是不同的,所以,在切换时会面临两个问题:一是要避开反电动势引起的冲击电流;二是要利用电动机的转速,以减小合闸冲击电流。因此,应当选择一个最为合适的时间合闸,才能使切换引起的冲击电流最小,并非要等转子完全停止后再合闸,因为此时的电流即为全压静止启动电流。
由此可见,硬切换一定会引起冲击电流,只是其值大小不同而异,不可能做到平稳切换。为了减小硬切换时引起的冲击电流,当变频器的输出频率已经达到50Hz时,可在变频器及电动机参数许可的范围内,继续加速到55Hz左右,再将电动机从变频器上切出,电动机进行自由停车运行。同时转子电流逐渐衰减,经过1~3s,转子电流基本上已衰减为零,且转速也已下降到额定转速附近,这时再将电动机投入工频电源运行状态,将会有较小的冲击电流。
②由工频电源向变频器切换。在变频器运行中将电动机由工频电源运行方式向变频器运行方式切换,这无疑是对变频器做一次破坏性的试验,过大的冲击电流将使变频器跳闸或损坏。如果电动机拖动的负载不允许突然停车的话,或须由定速运行转为调速运行时,可以这样操作:先将电动机由工频电源上切除,自由停车运行,延时1--3s,避开反电动势的影响,在封锁输出的情况下将电动机接到变频器上,变频器跟踪电动机转速并以跟踪频率启动运行,冲击将会很小。
(3)同步切换(软切换)
同步切换就是在不停电的情况下利用锁相环技术,使变频器输出电压的频率、幅值和相位均保持与电网电压一致,然后可进行变频器与电网之间的相互平稳切换。
①由变频器向电网切换。同步切换的过程是:变频器拖动电动机进行软启动,平稳升频到接近50Hz,进入锁相环路的捕捉范围,之后在锁相环路的作用下,锁定变频器输出电压的频率、幅值、相序和相位与工频电源一致,将电动机与工频电源之间的接触器吸合,工频电源和变频器同时向电动机供电,然后封锁变频器的输出,并将电动机从变频器输出同路中切出,电动机即平稳地切换到工频电源运行状态。
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