一、高壓變頻器變頻/工頻無擾切換的必要性

通常高壓交流異步電機(jī)采用直接啟動(dòng)的方式啟動(dòng)時(shí)都會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊，而該電流沖擊會(huì)給供電設(shè)備和電動(dòng)機(jī)的壽命帶來不利影響，同時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩沖擊還會(huì)影響到機(jī)械設(shè)備的壽命以及產(chǎn)品質(zhì)量，此外如果電動(dòng)機(jī)是重載直接啟動(dòng)則情況更加嚴(yán)重。因此對(duì)于容量較大的異步電機(jī)一般都采用某種軟啟動(dòng)方案，其中采用較多的是Y—△啟動(dòng)或者水阻電阻降壓?jiǎn)?dòng)，但是由于所能提供的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩有限（比直接啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩小得多，通常只有直接啟動(dòng)時(shí)的三分一甚至更小），對(duì)于要求帶重載軟啟動(dòng)的設(shè)備顯得無能為力。即便如此，在降壓?jiǎn)?dòng)過程中，由于沒有改變電源的頻率，因此在啟動(dòng)瞬間過壓的轉(zhuǎn)差率還是會(huì)導(dǎo)致較大的過電流。因此對(duì)于重載啟動(dòng)的設(shè)備則需要采用變頻軟啟動(dòng)方案——即用高壓變頻器帶動(dòng)電機(jī)從零速開始啟動(dòng)，逐漸升壓升速，直至達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速。變頻軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是由于采用V/F控制方法，所以不會(huì)產(chǎn)生過電流，并且可以提供額定轉(zhuǎn)矩的啟動(dòng)力矩，故特別適合于需要重載甚至滿載啟動(dòng)的設(shè)備。

但是如果高壓交流異步電機(jī)無需變頻調(diào)節(jié)需要運(yùn)行在工頻時(shí)，為了節(jié)能則需要在高壓變頻器帶動(dòng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（工頻）后，就要將電動(dòng)機(jī)切換到工頻電網(wǎng)直接供電運(yùn)行，又或者是電機(jī)在停機(jī)時(shí)不能馬上停車而需要逐漸降低轉(zhuǎn)速慢慢停車的情況下要電機(jī)從工頻切換回變頻再通過降頻來慢慢停車。例如恒壓供水系統(tǒng)，當(dāng)水壓過高需要停泵時(shí)，為了避免“水錘效應(yīng)”，不允許突然切斷水泵電源，而必須讓水泵逐漸降低轉(zhuǎn)速緩慢停車，這時(shí)就要將水泵從工頻切換到高壓變頻器拖動(dòng)，然后高壓變頻器降頻停機(jī)實(shí)現(xiàn)緩慢停車。這樣就不可避免地要進(jìn)行電網(wǎng)和高壓變頻器之間的相互切換操作。

但是由于在高壓變頻器與工頻電網(wǎng)切換的過程中，高壓變頻器電壓輸出的起始相位是隨機(jī)的，所以高壓變頻器輸出的三相電源和工頻電源相位一定是不一致，因此一般的高壓變頻器在變頻/變頻切換過程中，即使高壓變頻器的輸出電壓頻率與工頻電壓頻率一致，定子電流也常常會(huì)遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電流，經(jīng)常會(huì)引起電機(jī)過載，從而導(dǎo)致高壓開關(guān)跳閘，影響設(shè)備正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)設(shè)備損壞。因此在重負(fù)載軟啟動(dòng)（磨機(jī)）、多臺(tái)水泵順序自動(dòng)變頻軟啟動(dòng)、需要在工頻和變頻電源之間頻繁切換的系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合里，高壓變頻器就必須要能夠盡可能減少切換時(shí)的沖擊電流。而在高壓變頻器領(lǐng)域里，變頻器通常通過無擾切換功能實(shí)現(xiàn)無沖擊切換。

二、無擾切換功能的實(shí)現(xiàn)原理

無擾切換功能也叫同步切換、軟切換是指高壓變頻器檢測(cè)到電壓的幅值、頻率和相位后，高壓變頻器調(diào)整輸出電壓，輸出同頻、同相、幅值可控的電壓后，實(shí)現(xiàn)負(fù)載、電網(wǎng)無擾切換——在切換過程中高壓交流異步電動(dòng)機(jī)可以一直保持負(fù)載運(yùn)行不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載擾動(dòng)，此外切換工程中對(duì)電網(wǎng)沖擊電流可以抑制在2倍額定電流以下（某些性能優(yōu)越的高壓變頻器甚至可以實(shí)現(xiàn)沖擊電流小于1.2倍），實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)“零擾動(dòng)”。以下以廣東明陽龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰荆ㄒ韵潞?jiǎn)稱廣東明陽）的高壓變頻器為例，說明無擾切換功能的實(shí)現(xiàn)原理以及實(shí)際應(yīng)用效果。

廣東明陽的高壓變頻器由于采用先進(jìn)的高性能雙MPU，以及高精度、低失真度的AD采樣芯片，可以實(shí)時(shí)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣、計(jì)算，因此廣東明陽的高壓變頻器是沒有鑒相、鎖相回路的而是運(yùn)用獨(dú)創(chuàng)的軟件算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒相、鎖相，實(shí)時(shí)計(jì)算出工頻的相位、幅值以及頻率，這樣變頻器輸出電壓就可以更快、更準(zhǔn)確地根據(jù)計(jì)算出來的相位、頻率調(diào)整輸出電壓，輸出與工頻電壓同頻、同相三相正弦電壓，同時(shí)可以根據(jù)切換時(shí)的電流迅速調(diào)整輸出電壓的幅值，降低切換時(shí)的沖擊電流。

圖 廣東明陽變頻器輸出同步過程圖（從左往右，紫色輸出同步黃色工頻電壓）

此外，廣東明陽的高壓變頻器為了進(jìn)一步抑制切換時(shí)的沖擊電流還會(huì)在變頻器與電機(jī)之間增加一個(gè)電抗柜，如下：

圖 廣東明陽高壓變頻器無擾切換原理圖

這樣從上圖可知，當(dāng)電機(jī)在變頻運(yùn)行的時(shí)候，QF11、QS1、QS2、KM1、KM2、KM8合閘，KM3分閘，而當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行——QF11、KM3、QS1、QS2合閘，KM1、KM2、KM8分閘，現(xiàn)在以這個(gè)為前提，簡(jiǎn)述廣東明陽的高壓變頻器工頻與變頻實(shí)現(xiàn)無擾切換的過程。首先是變頻切換到工頻，當(dāng)變頻器收到變頻切換到工頻命令后，變頻器自動(dòng)拖動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)并平穩(wěn)升頻到50Hz，此時(shí)變頻器啟動(dòng)軟件鎖相功能，計(jì)算出工頻電壓的頻率、相位以及幅值，然后根據(jù)計(jì)算的結(jié)果迅速調(diào)整輸出電壓使之與工頻電壓同頻同相同幅值，此時(shí)斷開KM8——投入電抗器，之后再次確定輸出電壓是否與工頻電壓同步成功，確定同步?jīng)]問題后合上KM3，此時(shí)電網(wǎng)與變頻器同時(shí)向電機(jī)供電，最后封鎖變頻器輸出并斷開KM2隨后停機(jī)并斷開KM1，到此正式完成變頻切工頻。

圖 廣東明陽變頻器變頻切工頻實(shí)測(cè)電流波形

（備注：在圖中間合上KM3，從上往下依次是網(wǎng)側(cè)電流、變頻器輸出電流、電機(jī)輸入電流）

而工頻切變頻的原理是：當(dāng)電機(jī)工頻運(yùn)行時(shí)，如果變頻器收到工頻切變頻命令，則合上KM1、斷開KM8，高壓變頻器進(jìn)行充電并自檢，在自檢通過后變頻器空載啟動(dòng)并運(yùn)行到50Hz，之后變頻器啟動(dòng)軟件鎖相功能，計(jì)算出工頻電壓的頻率、相位以及幅值，然后根據(jù)計(jì)算的結(jié)果迅速調(diào)整輸出電壓使之與工頻電壓同頻同相同幅值，再次確定同步?jīng)]問題后合上KM2，此時(shí)電網(wǎng)與變頻器同時(shí)給電機(jī)供電，隨后迅速斷開KM3、并合上KM8（旁路電抗器），同時(shí)變頻器拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行到給定頻率，至此工頻切變頻完成。

圖 廣東明陽變頻器工頻切變頻實(shí)測(cè)電流波形

（備注：上為工頻電流，下為電機(jī)電流，左邊第一個(gè)尖峰為KM2合閘瞬間）

從廣東明陽的高壓變頻器實(shí)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中可以看出，具有無擾切換功能的變頻器無論是變頻切換到工頻還是工頻切換到變頻時(shí)基本無沖擊電流，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本保持不變，真正地實(shí)現(xiàn)了“無擾動(dòng)”的切換，可以滿足重負(fù)載軟啟動(dòng)（磨機(jī)）、多臺(tái)水泵順序自動(dòng)變頻軟啟動(dòng)、需要在工頻和變頻電源之間頻繁切換的系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合的要求。