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变频与工频切换技术的应用

发布时间:2020-04-14 作者:新风光

1概述

  随着电力电子技术的不断发展,变频器的技术已日趋成熟,在工控企业的应用也如雨后春笋般的蓬勃崛起,正日益渗透到各个领域,业已成为各个生产环节不可或缺的重要工具,为企业改进生产工艺、提高劳动生产率、节约能源、减轻工人的劳动强度发挥着越来越积极的作用。

  在变频器提供这些优越性的情况下,变频器的应用也越来越广泛,大到大型的工矿企业,小到家庭作坊,变频器可以说随处可见。但是在某些场合,在工艺技术基本相同、负载类别一致的情况下,如水泵、风机等,单开一台泵无法达到工艺要求,需要同时开几台泵或风机,这样为了节省投资,大多数厂家都选择一拖多的形式,如一拖二、一拖三、一拖四等形式,变频先带一套系统工作,当达到全速,工艺条件仍达不到要求时,将运行的这套系统转到工频运行,变频器再去带另一套系统运行,依次类推,再去带第二套、第三套等,直到达到现场的工艺要求。这就是所说的一拖多的情况。

  但是在应用中却遇到一个问题,这就是在变频达到满频而向工频切换的过程中,有时切换顺利,电流很小就切换成功,但有时切换电流就较大,达到额定电流的几倍以上,以至于使电网跳闸,不能正常工作,这究竟是什么原因呢?

  经过大量的检测与研究,发现在变频与工频切换的过程中,不但是频率要一致,还有一个重要的因素,变频与工频的相位也要一致,即只有在频率与相位都一致的情况下转换,转换电流才小,达到可以控制的范围内,而当相位不一致时,转换电流就相当大,以至于使电网跳闸。

  山东新风光电子科技发展有限公司经过大量的实践与工程研究,研发了带有变频与工频相位检测的变-工频切换的技术,并成功应用于工程实践,得到了很好的效果。转换电流基本控制在额定电流的1.5倍以内,达到了用户的要求,实现了无扰切换。

2变工频转换的技术原理

  本转换板采用同时检测变频输入侧与输出侧的相位的方法,首先检测频率到达信号,在达到频率设定值后,进行相位检测。通过工频与变频相位相减法,找出彼此相位的极小值,通过运算,与一基准电压相比较,找出二者合适的交汇点,此即转换的合适位置,然后驱动继电器动作,从而完成变工频的切换。如图1框图所示。

图1转换板原理框图

3技术特点

  本实用新型的变工频软切换控制装置,是由取样电路、整流器、反向比例电路、滤波器、施密特触发器、放大器与控制开关依次串接而成。其特点为:

  取样电路由两个变压器tc1、tc2组成。两变压器的初级分别接变频器的输入端(即电网端)与输出端,通过变压器变成较小的电压,而次级采用反串联的方式,实际就是两电压相减,取其最小值作为本控制电路的控制对象,进行相应的处理,通过整流变成直流信号,对外围电路进行控制。

  该技术采用电压直接向量比较的方法,当工、变频电压的向量差值小于设定值时输出控制信号实现变频到工频的无扰切换,也可实现存在差频时较小冲击的切换。

4应用范围

  本实用新型的软切换装置,主要应用在大功率电机由变频到工频的无冲击软切换控制过程中,主要用在使用变频器作为电机调速、软启动装置电气传动系统中,并在变频器输出频率达到工频时切换到工频电网的控制场合;由工频转换变频同样适用。该装置应用范围广,对于采用通用型高中低压变频器作为电气传动系统中,需要工频---变频软切换的都可以适用该装置。

5现场调试需要注意的问题

  该切换装置已大量应用于工程实践中,并收到了良好的效果,但调试中也应该遵循一定的规则,否则切换是不成功的,主要有以下几个方面。

5.1相序的查找

  该切换装置首要的一点是查找工频与变频的相序。只有在二者一致的情况下才能正常切换。对于大功率电机,如果没有工频软启动装置,可以先用一个小电机试验,保证工频与变频的相位一致,再接上原大功率电机调整相序,由于原来已调整好工频与变频一致,则大功率电机其相序也是一致的。

  注意在大功率变频器的控制柜中,由于变频与工频的接触器线路中,原来的走线都是确定的,在找相序的过程中,一般不要动柜内的走线,防止动线后与原来的走线不一致,造成切换时相序不一致而电流大,所以一般只可动柜子外部的电机线与电源线,柜内的线路一般不要动。

5.2频率到达信号的调整

  由于大功率电动机,在变频断电向工频切换的过程中,总有一个自由旋转的瞬间,电机的转速会有小范围的降速。因此我们总是采用提前切换的思路,即切换时的频率比工频稍高出一些,经过试验,我们大部分都选择50.05hz,即电机从50.05hz开始断电,到切换到工频,基本正好达到工频的50hz的交流电网的频率,从而保证正常的切换。

  该频率信号从变频器上设置,将其最大输出频率及上限频率设定为50.05,对于电位器调整的及外加pid控制的,还要将电位器及pid输出对应的最大频率设为50.05,不然就达不到该值。信号输出可以采用变频器的控制输出端子,通过设置相应的参数输出到转换板。

  现在做的一拖二、一拖三、一拖四的控制柜,一般采用plc及人机界面控制,又人机界面通过通讯采集变频器的频率信号,所以在人机界面上直接检测变频器的输出频率信号,这样就不用在变频器上设置频率输出控制端子。但要注意变频器与人机界面要保持通讯正常,不然若通讯不正常,人机界面检测不到变频器的频率,频率到达信号传不到转换板,就无法实现转换。

5.3转换电流的控制

  前面控制原理中讲到的基准电位,这是控制转换电流的关键,若控制不好,仍会出现转换电流较大,冲击较大的情况。

  可以用示波器的双通道检测转换板的运放集成块的12脚与13脚的波形,如图2所示。

图2关键点波形

  其中蓝色为12脚波形,红色为13脚波形,即基准电压,当二者相切时转换电流最小,基准电位越往下,即切的蓝色波形越多,转换时间越小,但转换电流越大;基准电位越往上,即切的蓝色波形越少,转换电流越小,但转换时间越长,所以要综合考虑。一般红色波形与蓝色波形相正切为最好。

  根据现场经验,基准电压一般调到—0.95到—0.8v之间比较好,若高于—1.2v,转换时电流就比较大。

6应用效果

  我们公司在青海油田应用了几套大功率一拖多的控制柜,从调试的情况看,转换效果都比较理想。现将转换试验的效果列出表格,如下:

  基本都控制在1.2倍以内,转换时没有出现较大的冲击,且经过多次试验,有时一侧试验3到5次以上,转换效果非常理想,达到了预期的效果。

7总结

  该软切换技术的成功应用,为大功率电机实现变频与工频、甚至工频到变频的无扰切换提供了较好的实现平台,据统计,该技术在高压大功率电机的变频转换中也得到了较好的应用,收到了满意的效果。随着变频器的日益普及,该项技术的应用也将越来越广泛,必将成为工控系统的一项较好的技术,为大多数工况企业所应用,收到较好的效益。

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