高压变频器无扰切换的必要性以及实现原理浅析

• 关键词：高压变频器,变频器,无扰切换
• 摘要：通常高压交流异步电机采用直接启动的方式启动时都会产生很大的电流冲击，而该电流冲击会给供电设备和电动机的寿命带来不利影响，同时产生的转矩冲击还会影响到机械设备的寿命以及产品质量，此外如果电动机是重载直接启动则情况更加严重。本文对高压变频器无扰切换的必要性以及实现原理做介绍。

一、高压变频器变频/工频无扰切换的必要性

通常高压交流异步电机采用直接启动的方式启动时都会产生很大的电流冲击，而该电流冲击会给供电设备和电动机的寿命带来不利影响，同时产生的转矩冲击还会影响到机械设备的寿命以及产品质量，此外如果电动机是重载直接启动则情况更加严重。因此对于容量较大的异步电机一般都采用某种软启动方案，其中采用较多的是Y—△启动或者水阻电阻降压启动，但是由于所能提供的启动转矩有限（比直接启动时的转矩小得多，通常只有直接启动时的三分一甚至更小），对于要求带重载软启动的设备显得无能为力。即便如此，在降压启动过程中，由于没有改变电源的频率，因此在启动瞬间过压的转差率还是会导致较大的过电流。因此对于重载启动的设备则需要采用变频软启动方案——即用高压变频器带动电机从零速开始启动，逐渐升压升速，直至达到其额定转速。变频软启动的优点是由于采用V/F控制方法，所以不会产生过电流，并且可以提供额定转矩的启动力矩，故特别适合于需要重载甚至满载启动的设备。

但是如果高压交流异步电机无需变频调节需要运行在工频时，为了节能则需要在高压变频器带动电机达到额定转速（工频）后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，又或者是电机在停机时不能马上停车而需要逐渐降低转速慢慢停车的情况下要电机从工频切换回变频再通过降频来慢慢停车。例如恒压供水系统，当水压过高需要停泵时，为了避免“水锤效应”，不允许突然切断水泵电源，而必须让水泵逐渐降低转速缓慢停车，这时就要将水泵从工频切换到高压变频器拖动，然后高压变频器降频停机实现缓慢停车。这样就不可避免地要进行电网和高压变频器之间的相互切换操作。

但是由于在高压变频器与工频电网切换的过程中，高压变频器电压输出的起始相位是随机的，所以高压变频器输出的三相电源和工频电源相位一定是不一致，因此一般的高压变频器在变频/变频切换过程中，即使高压变频器的输出电压频率与工频电压频率一致，定子电流也常常会远大于电机的额定电流，经常会引起电机过载，从而导致高压开关跳闸，影响设备正常运行，严重时还会导致电机设备损坏。因此在重负载软启动（磨机）、多台水泵顺序自动变频软启动、需要在工频和变频电源之间频繁切换的系统等应用场合里，高压变频器就必须要能够尽可能减少切换时的冲击电流。而在高压变频器领域里，变频器通常通过无扰切换功能实现无冲击切换。

二、无扰切换功能的实现原理

无扰切换功能也叫同步切换、软切换是指高压变频器检测到电压的幅值、频率和相位后，高压变频器调整输出电压，输出同频、同相、幅值可控的电压后，实现负载、电网无扰切换——在切换过程中高压交流异步电动机可以一直保持负载运行不会出现负载扰动，此外切换工程中对电网冲击电流可以抑制在2倍额定电流以下（某些性能优越的高压变频器甚至可以实现冲击电流小于1.2倍），实现对电网“零扰动”。以下以广东明阳龙源电力电子有限公司（以下简称广东明阳）的高压变频器为例，说明无扰切换功能的实现原理以及实际应用效果。

广东明阳的高压变频器由于采用先进的高性能双MPU，以及高精度、低失真度的AD采样芯片，可以实时对输入电压进行采样、计算，因此广东明阳的高压变频器是没有鉴相、锁相回路的而是运用独创的软件算法对采样数据进行鉴相、锁相，实时计算出工频的相位、幅值以及频率，这样变频器输出电压就可以更快、更准确地根据计算出来的相位、频率调整输出电压，输出与工频电压同频、同相三相正弦电压，同时可以根据切换时的电流迅速调整输出电压的幅值，降低切换时的冲击电流。

图 广东明阳变频器输出同步过程图（从左往右，紫色输出同步黄色工频电压）

此外，广东明阳的高压变频器为了进一步抑制切换时的冲击电流还会在变频器与电机之间增加一个电抗柜，如下：

图 广东明阳高压变频器无扰切换原理图

这样从上图可知，当电机在变频运行的时候，QF11、QS1、QS2、KM1、KM2、KM8合闸，KM3分闸，而当电机工频运行——QF11、KM3、QS1、QS2合闸，KM1、KM2、KM8分闸，现在以这个为前提，简述广东明阳的高压变频器工频与变频实现无扰切换的过程。首先是变频切换到工频，当变频器收到变频切换到工频命令后，变频器自动拖动电机启动并平稳升频到50Hz，此时变频器启动软件锁相功能，计算出工频电压的频率、相位以及幅值，然后根据计算的结果迅速调整输出电压使之与工频电压同频同相同幅值，此时断开KM8——投入电抗器，之后再次确定输出电压是否与工频电压同步成功，确定同步没问题后合上KM3，此时电网与变频器同时向电机供电，最后封锁变频器输出并断开KM2随后停机并断开KM1，到此正式完成变频切工频。

图 广东明阳变频器变频切工频实测电流波形

（备注：在图中间合上KM3，从上往下依次是网侧电流、变频器输出电流、电机输入电流）

而工频切变频的原理是：当电机工频运行时，如果变频器收到工频切变频命令，则合上KM1、断开KM8，高压变频器进行充电并自检，在自检通过后变频器空载启动并运行到50Hz，之后变频器启动软件锁相功能，计算出工频电压的频率、相位以及幅值，然后根据计算的结果迅速调整输出电压使之与工频电压同频同相同幅值，再次确定同步没问题后合上KM2，此时电网与变频器同时给电机供电，随后迅速断开KM3、并合上KM8（旁路电抗器），同时变频器拖动电机运行到给定频率，至此工频切变频完成。

图 广东明阳变频器工频切变频实测电流波形

（备注：上为工频电流，下为电机电流，左边第一个尖峰为KM2合闸瞬间）

从广东明阳的高压变频器实测实际应用中可以看出，具有无扰切换功能的变频器无论是变频切换到工频还是工频切换到变频时基本无冲击电流，电机的转矩基本保持不变，真正地实现了“无扰动”的切换，可以满足重负载软启动（磨机）、多台水泵顺序自动变频软启动、需要在工频和变频电源之间频繁切换的系统等应用场合的要求。