交流電動機雙向併網控制器的應用

[摘要]：交流電動機採用軟起動時，在電動機公升速到接近額定速切換到電網電源過程中，常常造成很大的衝擊並引起電動機保護起動跳閘，使

切換失敗。此外，將運轉的電動機由電網切換到變頻電源的需求也

經常發生。交流電動機雙向併網控制器很好地解決了這一問題，它

能無擾動平滑切入電網。

關鍵詞：變頻調速器同期衝擊電動機切換

1前言交流電動機廣泛用於國民經濟的各個領域。然而非同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。而變頻調速器的問世，較成功地解決了這兩個問題，即用零起公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又帶來了新的問題，即當電動機軟起動公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，或將由工頻電網供電的電動機切換到變頻電源上。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衝擊，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的同期（或同步）三準則，即必須在變頻電源與電網工頻電源的電壓、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，這是造成電機損害的重要原因。

2交流電動機在變頻電源及工頻電頻間的切換方式

可能出現的切換方式有：

（1）交流電動機由變頻電源軟起動後，切換到工頻電源；

（2）由變頻電源驅動的交流電動機在給定負荷時，切換到工頻電源；

（3）在工頻電源上執行的交流電動機在給定負荷時，切換到變頻電源。

上述切換方式（1）多用於負荷較穩定的電動機的起動，避免起動電流對電網的干擾。方式（2）多用於一台變頻電源供多台電動機起動和執行控制的情況，當被變頻器起動並進入執行工況的電動機接近滿負荷或給定負荷值時，將該電動機切換到工頻電源上執行，並隨即起動原先在停機備用狀態的電動機，使其進入執行工況，依次類推。方式（3）多用於正在工頻電源上執行的電動機負荷不重但變動較頻繁時，需轉由變頻電源供電的情況。

在工頻電源與變頻電源的電壓、頻率和相角有較大差異時進行切換，將導致電動機及變頻電源受損，頻繁的切換衝擊對執行裝置及產品質量都構成威脅。

3電源切換過程描述

圖3-1

給出了sid-2am型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u v 及電網電源u s分別經自動轉換開關ats給電動機m供電。起動程式是：變頻調速器按預先設定的公升頻及公升壓方式，通過ats的兩電源側開關給電動機逐步由零公升

壓及公升頻，併網控制器實時監測u v及u s的頻差、壓差及相角差，當變頻器輸出電壓u v與電網電源電壓u s的頻差△f及壓差△u達到預先設定的值時，併網控制器將在相角差到達0°之前相當於ats開關固有合閘時間t k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，電動機因帶有負載將會在相當於開關合閘時間t k的時段內失去電源而進入惰轉減速狀態，因此，併網控制器應具備計及這一因素的自適應功能。也就是要考慮在惰轉過程中控制器測量到的△f及△u值將發生變化，控制器發出切換命令的提前控制角要作相應的修正。

執行切換功能的開關使用自動轉換開關ats可確保變頻電源不會與工頻電源短接，並支援雙向切換。但目前較多的使用兩個在電氣上互相閉鎖的接觸器進行切換操作，此種方式接線繁瑣存在一定的隱患。

用兩個接觸器進行電源切換的示意圖如圖3-2所示。

4併網控制器原理簡介

併網控制器是基於微處理器的智慧型控制器，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。控制器的主要輸入訊號是變頻器的輸出電壓和電網電源電壓，對於低壓電動機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組，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切換開關的接點容量為400vac，5a。對於高壓電動機（6kv、10kv等）則通過電壓互感器獲取訊號電壓，該訊號通常為100v。

控制器從輸入的u v和u s單相電壓獲取兩電壓的實時電壓差、頻率差及相角差的資訊，根據預先設定的切換開關合閘時間t k、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4-1所示，其數學表示式如下：

式中為兩電壓的角頻率差，可以看到，當u v在公升速過程中與u s之間的相角差為時控制器發出切換命令，經過切換開關的合閘時間t k後，恰好在u v與u s重合時切換開關在已切斷變頻電源u v的前提下給電動機接入u s，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u v與u s短路現象。

為保證在u v的公升速過程中不失時機的捕捉到切換時機，控制器還採用了理想提前角的**演算法，確保不放過首次出現的切換時機。

在變頻電源的頻率與工頻電源的頻率偏差較大時，控制器將通過開關量的形式對變頻器進行公升頻或降頻控制，直至頻差小於容許值。控制器是否執行切換操作，可由變頻器或上位機以開關量形式的命令開啟或閉鎖切換操作。

控制器面板上設有簡潔的如下人機互動介面，如圖4-2所示：

圖4-2併網控制器面板布置圖

（1）同步表：

由12個led發光二極體組成的園形同步表，兩相鄰led的角差為30°，同步表的功能是：

a、指示在u v及u s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u v及u s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u v的頻率高於u s，

反之則為f v＜f s；

c、同步表園心的紅色led燈發光表明已實施切換操作，持續點亮表明控

製器已進入閉鎖狀態，按下復位鍵後才能解除閉鎖。

（2）引數設定拔碼開關

有三組引數設定拔碼開關；

a、ats開關切換時間t k設定拔碼開關：三位，每位有0～9十個狀態，

三位開關設定值為000～999毫秒；

b、容許頻差設定拔碼開關：一位，0～9十個狀態，設定值為0～0.9hz；

c、容許壓差設定拔碼開關：一位，0～9十個狀態，設定值為（5%、6%、7%、

8%、9%、10%、12%、14%、16%、20%）額定電壓。

（3）切換開關動作時間t k的自動測量

t k是控制器的乙個重要預置引數，這是確保控制器能精確捕捉到在相位差為零度時完成電源切換的依據。t k是指切換開關從接收從控制器發來的切換命令到開關主觸頭完成換位的時間，控制器是通過**切換開關輔助接點的變位訊號實現t k的自動測量。由於切換開關主觸頭和輔助接點的動作不一定是同步的，因此，必要時可實測其時間差作為對測量誤差的補償。

控制器在每次完成切換操作後，都會儲存該次操作所測得的開關動作時間，讀取方法是短暫（不大於1秒）按一下復位按鈕，即可從面板同步表上標有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9十個led燈獲得實測開關動作時間值。例如實測動作時間為328毫秒時，則短暫按下並放開復位鍵後首先「3」號燈點亮0.8秒，熄滅1.

2秒，然後「2」號燈點亮0.8秒、熄滅1.2秒，再接著「8」號燈點亮0.

8秒，熄滅2秒，測值328毫秒以序列方式顯示，如此繼續迴圈多次不止，直到操作者持續按復位按鈕3秒鐘後控制器復位為止。實測的開關動作時間可作為下次控制器進行切換操作的引數整定值。

（4）狀態指示燈三個

a、電源指示燈；

b、壓差正向越限指示燈；

c、壓差負向越限指示燈。

（5）復位按鈕

有以下功能：

a、引數重新設定後，按下復位按鈕確認新引數；

b、解除控制器實施切換操作後的閉鎖狀態；

c、讀取實測開關動作時間；

d、中斷控制器的工作程序。

為防止誤觸按鈕引起控制器復位，復位按鈕必須持續按下不小於3秒鐘控制器始能復位。

（6）接線端子排

接入訊號有七類：

a、電網電壓端子可選擇輸入660vac、380vac或220vac；

b、變頻器電壓端子可選擇輸入660va

c、380vac或220vac；

c、切換控制輸出接點開出量；

d、公升頻、降頻控制接點開出量；

e、閉鎖切換操作開入量；

f、切換開關輔助接點開入量；

g、控制器電源220vac。

5應用舉例

（1）恆壓供水系統

大型建築物的恆壓供水設施往往配置了多台水幫浦，投入執行的水幫浦數量取決於用水量。為了提高水幫浦工作效率，幾乎所有建築物都為多台水幫浦配置了一台共用的變頻調速器，如圖5-1所示，低負荷時由變頻器起動第一台水幫浦，在用水量發生變化時變頻器按水壓恆定準則自動調節水幫浦轉速，實施輸水量的恆壓控制。當第一台水幫浦接近滿負荷時，控制室向並網控制器的「閉鎖切換操作」輸入端發出解除切換閉鎖命令（開關量），併網控制器即進入併網條件檢測狀態，在並網條件符合給定條件時，隨即將水幫浦電動機由變頻電源投向工頻電源，繼而變頻器通過第二台水幫浦電動機的ats開關起動該水幫浦並進入輸水工況。

與此同時第二台水幫浦電動機的並網控制器開始上電工作，當水幫浦負荷接近滿載時該並網控制器自動將第二台水幫浦電動機由變頻電源無擾動切換到工頻電源，如此類推起動其他水幫浦電動機。按此工作模式，變頻器總是與最後投入的水幫浦電動機併聯執行。不難想到，當該台水幫浦負荷減小到一定數值時應停運此台水幫浦，此時變頻器將通過倒數第二個投入執行水幫浦電動機的並網控制器將該電動機由工頻電源切換到變頻電源。

sid-2am型交流電動機併網控制器是按雙向切換設計的，即既可以將電動機由變頻電源平滑地切換到工頻電源，也可以將電動機由工頻電源平滑地切換到變頻電源。

（2）變頻調速器因故障退出時的電源切換

由變頻調速器驅動交流電動機的模式廣泛用於各個生產和生活領域，這既改善了被電動機驅動機械裝置的工作條件，又大大節約了電能消耗。但常常會出現因變頻器故障或是其他情況需要快速切除變頻器，將電動機改由工頻電源供電。圖5-2是一種常見的接線，電動機通過開關b1及b2接通變頻調速器電源，並驅動電動機。

當變頻器故障時，通過保護裝置快速斷開b1、b2接著由並網控制器快速檢測併網條件合上開關b3，使電動機平滑的改由工頻電源供電。這樣就避免了因並網條件不滿足（特別是相角條件不滿足）導致對電動機和電網的破壞性衝擊。

（3）非同步軟起動高效稀土永磁同步電動機的起動切換操作

一般永磁同步電動機的起動電流比同規格普通感應電動機大得多。這是因轉子為永磁體，起動時產生發電制動轉矩tg導致的。而新近出現的非同步軟起動高效稀土永磁同步電動機解決了起動電流大的問題，該電動機在定子上繞有兩個繞組，乙個是起動繞組。

乙個是執行繞組，將起動繞組的極數設計為執行繞組極數的一半，而執行繞組的極數與永磁轉子的極數相同。這樣在電動機起動時先接通起動繞組，永磁轉子在定子倍極起動繞組中感應的電動勢相互削弱或抵消，從而使發電制動轉矩tg大幅減小，也就是使起動電流大幅減小。當電動機轉速接近或達到執行繞組同步轉速時，因起動繞組的終極轉速是執行繞組的一倍，因此，當電動機轉速達到工頻轉速時，通過併網控制器迅速切斷起動繞組的電源，並隨即將電源切換到執行繞組上，平滑地實現了電動機的起動。

電路接線如圖5-3所示。

6結束語

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後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和電壓相近的原則，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衝擊甚至跳閘，造成損毀裝置的嚴重後果。本文介紹的並網控制器從根本上杜絕了前述問題，這對於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非同步電動機是不可或缺的安全保障。

雙向併網控制器對於將正在執行的電動機由電網電源切換到變頻電源的場合更具有重要意義，因這一操作是完全無擾動的，對衝擊耐受力較弱的變頻電源無疑是極為有利的。

交流電動機雙向併網控制器的應用

交流電動機

交流電動機

交流電動機的原理

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