摘要：变频器控制多台功率异步电动机软启动的情况下，必然涉及到异步电动机变频转工频的切换过程，在此过程中被切换电机就可能出现定子绕组电压过大从而产生过大的切换冲击电流，对电动机的电气特性和机械特性造成破坏性损伤。
关键词：交流异步电动机；变频转工频；切换；应用
引言
随着当前科技的进步、工艺的迅速发展，异步电机已经作为目前整个社会工业用电总量的61%，但是近年来环保问题和能源问题显得尤为突出，当前对运行系统节能方案的提出显得意义尤其重大。近些年来，我们常常通过材料、工艺和设计结构上对电机的效率进行提高。然而，随着现代电力电子技术的迅猛发展，科研工作者更多的考虑的是如何从节能的方向去考虑这种问题。
一、变频的应用及意义
（1）交流异步电动机直接起动所生产的电流冲击会给供电设备和电动机的寿命带来不利影响，所导致的转矩冲击也会影响到机械设备的寿命和产品质量。如果带重载直接起动，情况将更加严重。对于容量较大的异步电动机一般都采用某种软起动方案。其中采用较多的是Y起动或者是晶闸管降压启动。这些方案能有效地减少起动电流，改善起动的平稳性。但由于所能提供的起动转矩有限（起动转矩近似与电压的平方成正比），对要求带重载软起动的设备显得无能为力。即使如此，在降压起动过程中，由于没有改变电源频率，过大的转差率的存在，也不可避免地会出现较大的过电流。对于重载起动的设备则需要采用变频软起方案，即用变频器带动电机从零速开始起动，逐渐升压升速，直到达到其额定转速。变频软起动的有点是由于采用电压/频率按比例控制方法，所以不会产生过电流；并可提供等于额定转矩的起动力矩，故特别合适于需重载或满载起动的设备。
（2）如果变频器仅仅承担软起动的任务，不作调速运行的话，则在变频器带动电机达到额定转速后，就要将电动机切换到工频电网直接供电运行，变频器可以再去起动其他的电动机。母管制多泵恒压供水系统就是一个典型的列子。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，而要逐渐降低转速软慢停车。这时就要将电动机再切换到变频器拖动，实现减速停车。这样就不可避免地要进行电网和变频器之间的相互切换操作。
在变频与工频电网切换的过程中，由于变频器电压输出起始相位具有随机性，它所输出的三相电源和工频电源不一致，即使变频器的输出电压频率等于工频电压频率，定子电流有时也会远大于电机的额定电流，在现场生产中表现为电机的电流或电压过载，而使空气开关跳闸，烧毁熔断器，严重时还会损坏电机设备。
二、问题提出
（1）电机由变频转工频的切换一般是在变频器输出电压和电网电压的频率、大小都相等的情况下进行的，表面上看，此时两个电源输出电压的大小、频率都相等，似乎可以进行平滑切换，不会对电机产生什么冲击。其实不然，一个没有考虑到的关键性的问题是——相位，即两个电源电压变化的步调是否一致。
（2）问题分析——相位不一致对变频／工频切换过程的影响
在变频转工频切换瞬间，由于变频器输出电压起始相位具有随机性，它所输出的三相电源相位和电网工频电源相位完全有可能不一致，这种情况对切换过程的影响可用三相异步电机任意一相的相量。
根据电机原理，三相电动机正常运行时，以同步转速旋转的主磁场将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势。三相异步电动机每一相定子线圈产生的感应电动势 和定子每相所加的电源电压只是频率相同，幅值不等，相位也不一致，在相量图上表现为与-存在一定的夹角。对大功率电动机来说，若断开电源后，断开，虽然主磁场消失，但曾经被主磁场磁化的转子铁芯依然存在剩磁，与此同时由于惯性转子依然高速旋转，在定子线圈产生的感应电动势并不会在极短的时间内消失，只是有所衰减。由于变频转工频时间极短，定子线圈产生的感应电动势依然存在，因此必须充分考虑对切换过程的影响。
（3）当水泵电机处于变频运行时，变频器输出电压起始相位具有随机性，只是保证了两相之间的电压相位差为120。当其输出频率上升到50HZ后，我们进行变频转共频的切换，假设此时变频器三相电压的某一相为U1，电动机相应一相定子线圈产生的感应电动势为，与之相对应的工业电网工频电压中的一相为U2，它与存在相位差φ。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆切换后，加在电动机定子绕组上的将与电动机定子绕组本身尚存的感应电动势进行叠加，使得电动机每相定子绕组承受的总的电压为U。如果与的相位差在0～180之间由φ增大到φ，则电动机每相定子绕组承受的总的电压由增大到U。当与的相位差在0～180之间增大到与同相时，这种叠加最为强烈，电动机每相定子绕组承受的总的电压大小直接变为U2+E1，这个电压已经远远超过电动机可以承受的额定电压，它将引起电机电流过大、绝缘严重受损等诸多严重问题。因此，大功率电机切换过程中变频电源和工业电网工频电源的相位是否一致是切换成功与否的关键因素。
三、解决问题思路
根据上面的分析，大功率三相异步电动机由变频电源到工业电网工频电源切换成功与否关键是在于切换时机的把握上。如果我们把与-同相位这一瞬间作为切换时刻，此时与的相位相反，定子绕组承受的总电压大小|U|=|U+|=U2-E1将是最小，这一瞬间进行切换，将会实现变频转工频的最佳切换。但是，这种最佳切换实现起来比较困难，主要在于检测比较困难。既然最佳切换不容易实现，那么我们退而求其次，如果我们把与同相位这一瞬间作为切换时刻，此时定子绕组承受的总电压=U+虽然不如最佳切换时的总电压|U|=|U+|=U2-E1小，但也将是非常小的，况且检测的相位比起检测来要容易得多。如果我们使用鉴频鉴相控制器对变频电源和电网工频电源的相位进行检测，当检测到两者相位一致时便发出切换指令，便可实现大功率异步电动机的顺利切换。
四、变频切换的研究现状及应用
（1）变频器的输出切换问题，多年以来尚未得到足够的重视，因而在认识上还存在着一些误区；一种看法是将变频器当作一般的交流电源，或者象软起动器一样，因而可以将电动机在变频器与供电电网之间任意切换；另一种看法则认为由于变频器自身的设计原理，是不允许变频器在运行中进行切换的。这两种看法都不免有失偏颇，所以有关变频器在拖动系统应用的文章中，碰到变频器的切换问题时，要么有意回避，不作具体描述；要么一语带过，用简单的一句“切换到电网运行”了之。即使有些文章在切换问题上进行一些探索，但是也没有将这个问题的本质揭示出来，给人一种功亏一篑的感觉。
（2）变频器的维护保养，由于电力电子技术和微电子技术的快速发展，变频器改型换代速度也比较决，不断推出新型产品。性能不断提高，功能不断充实、增强。在实际应用中，变频器受周围的温度、湿度、振动、粉尘、腐蚀性气体等环境条件的影响，其性能会有一些变化。对于变频器的保养可以分为日常检查和定期检查：对于连续运行的变频器，可以从外部目视检查运行状态，定期对变频器进行巡视检查，检查变频器运行时是否有异常现象；关于定期检查就是一年进行一次全面和日常检查不能完成的检查，可以找相关的技术人员检查。
（3）近年来，很多研究单位、工业企业对这方面的问题作了深入的研究，将变频电源与工频电源之前的切换方式异步切换和同步切换。介绍了消除切换冲击电流的几种方法：投入电网是鉴定电压相位、在电机定子接入三相灭磁电阻等。这些方法比较麻烦，实时效果差，电机转速下降很多，电机转差率成倍增大，导致电机切换瞬间的电流也可能成倍增大。还有不少学者对电动机切换过渡过程进行了深入的探究，并在此基础上提出了很多控制的方案，列如用对冷切换的方法对电动机和变频器进行切换，但只能用于可以间断工作的负载；还有针对需连续工作的负载，提出了采用热切换的方式。热切换中的硬切换要求电动机在切换是要瞬间停电，因而难会产生冲击。热切换中的软切换也叫同步切换，是真正的不停电平稳切换。但在这方面的研究中，研究人员都是针对利用硬件来判断相位，这就不可避免的会生产相位的廷迟，对控制切换时刻的精确性带了不利的影响，这也是就造成了只能从变频器切换到电机，不能从电机切换到变频器的局限性，而单纯利用可编程控制器发出切换命令，PLC没有的带充分的利用，且提高了研究成本。相对而言，把变频器切换到电网比较容易实现，电网切换到变频器就有一定的难度，关于前者已逐步进入实用阶段，后者的研究还处于初级阶段，有大量的工作需要要研究学者们去做。
结束语
对多台设备的改造及实验调试，考虑变频恒压泵控系统和风机类控制系统在切换运行过程中，响应时间没有太高的要求，切换时间的预置都较慢些，系统运行相当平稳，没出现太大的冲击电流。在一些自动控制系统拖带有大小变动的惯性负载、而且要求变频器切换快速的生产线等设备，采用上述的方法进行反复调试，系统运行避免过大的冲击电流，有效保护变频器由工频电源切换变频电源的平稳切换过程，使系统设备正常运行。
参考文献
[1]朱仁初. 以单片机为基础的交流变频调速用PWM控制器 2012.4.
[2]韩安荣主编. 通用变频器及其应用. 2014.2.
[3]胡超群.高压变频系统应用技术.2012.9.
论文作者:李志文
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
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