一、小功率变频器的异步切换

图1所示的系统用于新疆某棉花加工厂四台风机组成的一个工序中，四台电机的功率均为55KW，变频器（VFD）通过接触器K₁₁、k₂₁、k₃₁、k₄₁分别控制控制四台电机；同时接触器K₁₂、k₂₂、k₃₂、k₄₂又分别将电机连接至主电网（见图1）。变频器可以对四台电机中任一台实行软起动，在起动到额定转速后将其切换到主电源。

图1 变频器一控四的异步切换

以电机M₁为例，首先K₁₁闭合，风机由变频器恒流起动，当到达50Hz同步转速后，K₁₁断开，K₁₂吸合，电机M₁转由电网供电。以此类推。变频器继续起动其他电机。如果某台电机需要调速，可安排到***后起动，不再切换至电网，由变频器驱动调速。

本系统的切换中，对变频器的保护是切换控制可靠运行的关键。系统中分别采用了硬件和软件的双重保护。系统采用日本安川公司的变频器VS616G5，在硬件连锁中，充分利用了安川变频器的多机能输入、输出接点。起动过程中，首先判别变频器是否有零功率信号，以次保证电机必须由零功率开始升速。为减少电流冲击，必须在达到50Hz时才可切换至电网。K₁₁断开时，必须首先保证变频器没有输出，K₁₁断开后，才能闭合K₁₂，K₁₁和K₁₂不可同时闭合。控制过程可用PLC执行，通过PLC程序实现软件连锁。
 二、引言

在使用交流变频调速的场合，许多情况下为了节能、软起动、维修或者由一台变频器控制多台电机（一控多）时，需要实现变频器和主电源之间的切换控制。常用的切换控制方式有下列几种：

1、“冷”切换

电机在停止运行时，将电机的驱动电源由变频器切换到主电源，或者由主电源切换到变频器。这种方式***为简单，只要增设两个适当容量的断路器或接触器即可，切换过程可以手动也可由PLC控制。

2、异步切换

这种方式一般只用于功率较小的低压变频驱动。当电机在变频器的控制下，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，将电机从变频器驱动切换到主电源驱动。由于电机容量比电网小很多，切换过程对电网影响可忽略。但是必须防止切换时电网电压对变频器功率器件的冲击，以免造成变频器跳闸或器件损坏。

3、同步切换

当电机功率较大（一般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，不仅达不到软起动的效果，还会影响电网上其他设备的正常工作并损坏变频器。***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，电机的反电势将与电网电压叠加，造成很大的电压冲击和过电流。同步切换技术对异步电机和同步电机又有所不同。

本文将结合作者在变频调速项目中的实践，对不同情况下的切换控制技术作以具体使用的阐述。

三、高压异步电机变频起动的切换

图2 高压异步电机变频启动的切换

图2是ROSS HiLL公司的高压变频器用于泰国某大型泵站抽水系统的切换控制线路，两台变频器（6000V，1800KW）互为热备，对八台水泵电机进行起动和切换控制。由于是高压大功率电机，所以变频器在低速下的起动力矩和达到额定转速后的工频同步切换技术是关键，ROSS HILL的VFD变频装置具有这方面的成熟技术和线路。具体起动和切换过程如下：

1、选择用来起动的变频器，如变频器VFD₁。

2、选择应起动的电机（如电机M₁），选择过程可由工人或自动作出，由上位机将选中信号发送至变频器VFD。

3、从VFD₁和VFD₂种选择一台准备运行（如选择VFD₁）。

4、VFD₁闭合其连至V总线的接触器K₀₁。

5、VFD₁闭合被选电机M₁的起动接触器K₂₁（此时主线接触器K₁₁必须处在常开的位置）。

6、VFD1开始以低频（2HZ）低幅值交流电流提供给电机，由于电机静止，相对于同步转速下的50Hz，电机具有普通异步电机的4%滑差下的特性。

7、由于异步电机的转矩和电流均正比与滑差，VFD将在预设的加速度下增加提供给电机的起动电流，当电机力矩超过水泵的静态阻力矩后，电机开始旋转。

8、电机在VFD的控制下线性加速，直至达到电机的额定转速、额定电压和频率（50Hz）。加速时，电机的压频比V/f=6600/50=132保持不变。这使电机保持在规定的定子磁通密度下运行、避免电机的电磁饱和，维持超过100%的起动力矩。

9、当电机频率和电压达到100%额定值后不再改变，此时电机的驱动力矩与负载力矩达到平衡，而连接在V总线上的电机电压的频率与电源（L总线）的频率相等，但相位不一定相同，电机进入同步控制阶段。

10、在断开的接触器K₁₁两端的电压是电机电压和主线电压相位关系的指示。当电机电压与主线电压同相时，端电压取两者的差值，为***小值；当电机电压与主线电压反相时，端电压取两者之和，为***大值。电机电压相位与主线电压相位的关系可以通过电机转距的微小变化作瞬间调整，前移或后移。电机转距的瞬时减小造成电机速度的减小，因为此时电机驱动转距小于负载阻力矩；反之亦然。

11、在电机电压和主线电压相位相同的瞬间，主线接触器K₁₁的端电压为***小值，此时控制该接触器闭合，然后使起动接触器K₂₁断开，于是电机由VFD驱动变为主线驱动。

12、VFD₁停止输出，频率降到零，准备起动下一台电机。

应当指出，上述所有过程由VFD在接到上级机发来的电机起动信号后自动进行，起动过程中不需人为干预。

该系统一般只用于电机的软起动，一般无需用于停止，停止只要从主线上直接断开接触器即可。系统可选择一台电机作调速控制。此时，该电机放在***后起动，并且不再切换到主电源。

四、同步电机变频系统的起动和切换

图3 同步电机控制主回路结构图

图3所示为宝钢集团上钢一公司大型烧结鼓风机上应用的同步电机变频起动系统。同步电机参数为6000V，4000KW，1000r/min；变频器选用意大利ANSALDO公司的负载换向式SILCOVERT S型同步变频器。要求电机由空载起动后切换到电网，在电网供电的情况下加载至额定负载。起动过程如下。

起动之前先选择电机，假设现在选择电机M₁进行起动。

1、起动开始

变频器发出脉冲指令使励磁电源接通，为同步电机提供100%的空载励磁电流，再保持此励磁电流不变的情况下，速度指令从零开始缓慢增加，电机开始起动运转。

2、加速运行

变频器保持V/f不变的特性下，频率和电压均呈线性增加，电机逐步加速至48Hz。

3、励磁模式切换

当频率达到48Hz时，励磁电流从恒磁模式切换到电压闭环调节模式。即励磁电流的给定值将由电机电压与电网电压的误差进行调节（如图4所示）。

图4 励磁电流的闭环控制

由于励磁电流的变化可以调节功率因数并使同步电机矩角特性产生小量变化。因此，这实际上就构成了电压反馈的电机同步跟踪系统。当系统调整到稳定时，同步电机的端电压和电网电压之差将以衰减振荡趋近于零变化。

4、同步切换

当励磁系统电压调节器鉴别到电压误差小于1%时，进入同步切换控制，此时变频器计算电机电压与电网电压的相位差。一旦相位差为零，发出切换信号。接通K₁（或K₂），断开K₃（或K₄）。电机转由电网供电。

起动完成后，变频器再去起动另一台电机M₂。

五、结论

进行变频器和电网之间切换时，***主要的要求是尽可能的减少切换过程对电网和变频器的冲击。为了实现性能和价格间的平衡，应根据电机的功率和种类选择切换方案。同时，在选择变频器的时候，也要考虑该变频器是否具有切换控制所要求的功能。有的变频器可独立实现切换控制，有的变频器可能需要在PLC的配合下进行切换控制。

本文叙述的各种切换控制方案均在实际生产中得到可靠使用，可以确保变频器安全，切换过程也不会造成电网电压波动，影响电网中其他电气设备的正常工作。

（本文摘自网络）