发表于：2005/4/20 13:54:00
#10楼
用单台变频器实现多台大水泵的软起动和调速，必须解决变频转工频快速切换过程中如何减小转换电流的问题，因此解决大功率电机变频转工频技术问题也就是变频调速恒压供水系统设计技术关键。电机变频转工频原理图如下图5－4所示，KM1、KM2为交流接触器，M为水泵电机。VVVF是变频器装置，BX、FWD、CM是变频器外控端子，当FWD－CM接通时，电机正转运行，当FWD－CM断开时，电机正转运行停止；当BX－CM接通时，变频器断开所有输出，电机处于自由运转模式，变频器正常运转时，必需保证BX－CM断开。当KM1断开，KM2吸合，水泵在变频器驱动下，从0HZ开始升频（这一过程称水泵电机软起动），当变频器频率上升到50HZ后，如果系统水压仍旧达不到压力设定值时，自控系统将进行水泵切换一台水泵电机实现软起动，并进行调速以保证系统水压稳定在设定值。
从上述过程可以看出，大功率电机变频转工频的问题和自藕降压起动有些许类似之处，自藕降压起动是利用自藕变压器，使电机在低电压状态时起动，来达到降低起动电流的目的；变频器拖动电机软起动时，起动电流也很小，二者在接触器的切换过程中却存在本质的差别，自藕降压起动后，电机转速接近额定值时，通过接触器的动作断开自藕变压器，切换过程前后电动机的三相电源存在一致性，即切换前后加在电动机每一相电源尽管大小不等，但相位和频率是一致的；而在变频转工频的过程中，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并不一致，即使变频器的输出频率等于工频频率，它输出的三相电源和工频电源的初始相位也不一致。由于这种相位不一致也形成了大功率电机变频转工频的问题和自藕降压起动问题的本质不同，也直接导致大功率电机变频转工频的问题和自藕降压起动问题的本质不同，也直接导致大功率电机变频转工频的复杂性。
下面结合感应电动机的等效电路和相量图进一步分析变频转工频变频电源和工频电源相位不一致对切换过程的影响。变频器输出电压和工频电压相位差对切换过程的影响可用图5－5来加以说明。
三相电动机正常运行时，以同步转速的主磁场将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势 。感应电动机每一组定子线圈产生的感应的电动势 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。对于大功率电动机来说，若断开电源后， 断开，由于惯性的存在，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，这个反电动势 对切换过程的影响。
水泵电机处于变频运行时，变频器电压输出起始相位具有随机性，只是保证两相之间的电压相位差 ，变频器三相电压输出和工频三相电压的频率与相位并不一致。即使变频器电压输出频率达到工频，变频器三相电压输出和工频电压的频率只能是频率一致，相位也并不一定相同。
当变频器频率上升到50Hz后，假设KM2断开时，变频器三相输出电压的任意一相的电压 ，感应电动机相应一相定子线圈产生的感应的电动势 ，与之相对应的三相工频电压中的一相为 ，变频器电压输出起始相位具有随机性，而三相工频电压每一相的初始相的初始相位都是确定的。若此时变频器输出电压 和工频电压 相位不一致，存在一定的相位差 ，当KM1合上时，这种切换动作往往时间很短，只在几十毫秒内迅速完成，感应电动机相定子线圈产生的感应的电动势 依然存在，电动机的工频电源任意一相相电压 就和电动机任意一相线圈产生的感应的电动势－ 进行叠加，而使电动机的每一相定子线圈的端电压增大，远远超过其额定电流。当工频电压 和感应的电动势－ 相位差 时，这种叠加作用最为强烈。由于每一相电压增大，线电压也会相应增大，超过水泵电机的额定电压，切换时产生的瞬时电流也会远大于电机的额定电流，造成电机的电流和电压过载而使空气开关跳闸，严重时还会损坏电机设备。因此大功率电机切换工程中变频电源和工频电源的相位是否一致是切换成功最为关键的因素。
另外，当KM2断开后，如果KM1不及时吸合，则水泵电机的转速很快下降，这时会产生很大的起动电流而达不到软启动的目的，因而要求水泵切换过程应在几十毫秒内迅速完成。但是水泵切换前变频器频率也达到50Hz，对于大电机而言，此时电流达到300A以上。在此时断开KM2，必然在接触器的触头间会产生电弧，而此时KM1快速合上，有可能使电网通过KM1触头间会产生电弧，而此时KM1快速合上，有可能使电网压通过KM1触头间的电弧送至变频器的输出端，造成变频器倒送电，这种现象在变频器使用操作中是绝对不允许的，必然烧坏变频器的逆变模块。
鉴频鉴相控制器的选用和工业试验
针对上述问题，在项目的设计中采用以下方法成功地解决了这一技术难题。在变频转工频的过程中，引入鉴频的过程中，引入鉴频鉴相控制器，该控制器不仅具有同相比较器的功能，还能实时准确跟踪变频器输入输出的相序和频率检测状况。
5.2.1 鉴频鉴相控制器的选用
鉴频鉴相控制器是采用单片机控制的智能相位频率跟踪控制器，能准确跟踪变频器输入输出的相序、相位和频率，保证变频器输入输出相序、相位频率一致时，对电机实现从变频到工频运行的无冲击切换。现场选用的鉴频鉴相控制器具有相位跟踪准确，技术先进，工作可靠，能显著延长电控元件电机水泵等设备的使用寿命特点。
1． 鉴频鉴相控制器的工作原理
变频器的三相输入和三相输出作为智能控制器的输入信号，信号经过整形，放大电路，以及频率、相位的跟踪电路处理，进入单片机。经由软件计算判断后，单片机发出指令完成相应的动作，在显示单元显示相应的输入输出频率，指示灯也指示各个状态。当变频器输入输出相位、频率一致时，控制器可分给出集电极开路输出信号（或继电器输出信号）；当变频器输入输出缺相、反序时，控制器有故障代码和指示灯同时报警，用户据此作相应处理。
2鉴频鉴相控制器的面板和接线端子说明
鉴频鉴相控制器的面板如图5-6所示
图5－6鉴频鉴相控制的面板
1． 变频器输入频率（或故障代码）显示区
2． 变频器输出频率（或故障代码）显示区
3． 变频器输入同频输出指示灯
4． 变频器输入同频输出指示灯
5． 变频器输入正相序指示灯
6． 控制器故障指示灯
7，8，9变频器三相输入指示灯
10，11，12变频器三相指示灯
在不同的工作条件下，控制器的面板说明如下：
A) 控制器上电后显示 HELO1.0，延时3秒后，若变频器上电且相序正确，1区显示变频器输入频率，2区显示为0；此时5、6、7、8、9灯亮，其它灯灭。随着变频器频率的上升，2区跟踪显示变频器输出频率。
B) 控制器上电后1，2区显示101－101，表明变频器没输出。控制器上电后1，2区显示110－110，表明变频器输入相序错。
C) 控制器上电后1，2区显示102－102，表明变频器没输出。控制器上电后1，2区显示119－119，表明变频器输入相序错。
D) 当变频器输入输出相位、频率一致时，控制器可分别给出集电极开路输出信号（或继电器输出信号），同时相应指示灯3，4亮。否则控制器无输出信号，对应指示灯灭。
鉴频鉴相控制器接线端子示意图如图5－7所示
图5－7鉴频鉴相控制器接线端子示意图
控制器的接线端子说明如下
A)1、2为220V交流电源输入端
B)同频、同相、故障为集电极开路输出。GND为集电极开路输出的公共端。
C)U1、V1、W1为变频器的三相输入端；U2、V2、W2为变频器的三相输出端。
接线时切记与变频器的输入输出——对应。
5.2.2工业试验
变频转工频的现场工业试验在茂名市水厂第一供水厂进行，水泵机组选用1＃机组，其电机型号为Y315M2－4，功率为160KW。没有引入鉴频鉴相控制器之前，大功率电机（160KW）变频转工频时，转换电流很大，经常出现跳闸或烧保险现象，几乎不能成功。鉴频鉴相控制器的接线如图5－8所示，1、2接220V交流电源输入；7、8、9为变频器的三相输入端；10、11、12为变频器的三相输出端；3、4为控制器的同相输出端。
图5-8鉴频鉴相比较器和PLC扩展模块的接线图
如上所述，当变频率输出频率达到50Hz时，先由鉴频鉴相比较器检测工频电源和变频电源相位是否一致,若相位一致，EM235的AIW6端口接受控制器3、4端子的0V电压信号，经由PLC比较计算，PLC执行一系列动作，M3.0闭合，BX-CM（K1）接通，切断变频器的输出，使变频器的输出电流为零。经T33瞬时延时后，迅速切断KM2和变频器端子FWD-CM（K2），在此状态下，切断KN2既保证了在切换时工频电源和变频电源相位一致，也从根本上消除了接触器的锄头间的电弧。然后再由PLC迅速发出命令，快速吸合KN1，如此便实现了快速切换的目的。若相位不一致，控制器在3、4端子输出+5V的电压信号，送入EM235的AIW6吕，经PLC比较计算，并不完成切换动作，从而保证变频器和水泵电机的安全运行。切换过程的PLC程序设计如下所示。
NETWORK 1
LD M1.0
A T40
AN T33
= Q1.0 //Q1.0(K2) FWD-CM relay
NETWORK 2
LD M3.0
= Q1.1 //Q1.1(K1) BX-CM relay
NETWORK 3
LD I0.0
O M1.0
AN T33 //Q0.0(KM2) VF contactor
= Q0.0
= M1.0
TON T40,+20 //T40 100ms Timer
NETWORK 4
LD M3.0
O M1.1
= Q0.1 //Q0.1(KM1) WF contactor
= M1.1
NETWORK 5
LD M1.0
AN M1.1
AW>= VW10,+3200 //检验频率是否达到50Hz
EU
S M2.0, 1
NETWORK 6
LD M2.0
AW<= AIW6,+500 //同相比较
= M2.1
NETWORK 7
LD M2.1
O M3.0
AN M4.0
= M3.0
TON T33,+1 //T33 10ms Timer
TON T34,+3 //T34 10ms Timer
NETWORK 8
LD T34
R M2.0, 1
= M4.0
从切换过程的PLC程序设计可以看出，为了避免水泵电机的转速下降过快，产生很大的起动电流而达不到软起动的目的，水泵切换过程中选用了T33、T34两个毫秒级的定时器，这样保证水泵切换过程在几十毫秒内迅速完成。
现场工业试验成功地实现了大功率电机（160KW）变频器转工频，转换电流稳定在450A左右，约为额定电流的1.5倍，从而保证变频器和接触器安全运行，真正实现了大功率电机的无冲击起动。此项研究技术彻底解决了钦州市第一供水厂困扰已久的技术难题，真正实现了单台变频器实现多台电机软启动的变频调速恒压供水，和传动的自藕降压起动相比较，大大地减少了电机起动电流和对水泵机组的破坏，也减少了对电网的冲击。
我们设计的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水自动控制系统，在钦州市自来水公司第一供水厂投入运行后，运行状况良好。该系统既具有水压稳定、节约能源、减少对电机设备的损坏等优点，又减轻了工人的劳动强度，在中小城市具有很好的应用前景和广泛的推广意义。
从上述过程可以看出，大功率电机变频转工频的问题和自藕降压起动有些许类似之处，自藕降压起动是利用自藕变压器，使电机在低电压状态时起动，来达到降低起动电流的目的；变频器拖动电机软起动时，起动电流也很小，二者在接触器的切换过程中却存在本质的差别，自藕降压起动后，电机转速接近额定值时，通过接触器的动作断开自藕变压器，切换过程前后电动机的三相电源存在一致性，即切换前后加在电动机每一相电源尽管大小不等，但相位和频率是一致的；而在变频转工频的过程中，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并不一致，即使变频器的输出频率等于工频频率，它输出的三相电源和工频电源的初始相位也不一致。由于这种相位不一致也形成了大功率电机变频转工频的问题和自藕降压起动问题的本质不同，也直接导致大功率电机变频转工频的问题和自藕降压起动问题的本质不同，也直接导致大功率电机变频转工频的复杂性。
下面结合感应电动机的等效电路和相量图进一步分析变频转工频变频电源和工频电源相位不一致对切换过程的影响。变频器输出电压和工频电压相位差对切换过程的影响可用图5－5来加以说明。
三相电动机正常运行时，以同步转速的主磁场将在定子三相绕组内感应对称的三相电动势 。感应电动机每一组定子线圈产生的感应的电动势 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。对于大功率电动机来说，若断开电源后， 断开，由于惯性的存在，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，这个反电动势 对切换过程的影响。
水泵电机处于变频运行时，变频器电压输出起始相位具有随机性，只是保证两相之间的电压相位差 ，变频器三相电压输出和工频三相电压的频率与相位并不一致。即使变频器电压输出频率达到工频，变频器三相电压输出和工频电压的频率只能是频率一致，相位也并不一定相同。
当变频器频率上升到50Hz后，假设KM2断开时，变频器三相输出电压的任意一相的电压 ，感应电动机相应一相定子线圈产生的感应的电动势 ，与之相对应的三相工频电压中的一相为 ，变频器电压输出起始相位具有随机性，而三相工频电压每一相的初始相的初始相位都是确定的。若此时变频器输出电压 和工频电压 相位不一致，存在一定的相位差 ，当KM1合上时，这种切换动作往往时间很短，只在几十毫秒内迅速完成，感应电动机相定子线圈产生的感应的电动势 依然存在，电动机的工频电源任意一相相电压 就和电动机任意一相线圈产生的感应的电动势－ 进行叠加，而使电动机的每一相定子线圈的端电压增大，远远超过其额定电流。当工频电压 和感应的电动势－ 相位差 时，这种叠加作用最为强烈。由于每一相电压增大，线电压也会相应增大，超过水泵电机的额定电压，切换时产生的瞬时电流也会远大于电机的额定电流，造成电机的电流和电压过载而使空气开关跳闸，严重时还会损坏电机设备。因此大功率电机切换工程中变频电源和工频电源的相位是否一致是切换成功最为关键的因素。
另外，当KM2断开后，如果KM1不及时吸合，则水泵电机的转速很快下降，这时会产生很大的起动电流而达不到软启动的目的，因而要求水泵切换过程应在几十毫秒内迅速完成。但是水泵切换前变频器频率也达到50Hz，对于大电机而言，此时电流达到300A以上。在此时断开KM2，必然在接触器的触头间会产生电弧，而此时KM1快速合上，有可能使电网通过KM1触头间会产生电弧，而此时KM1快速合上，有可能使电网压通过KM1触头间的电弧送至变频器的输出端，造成变频器倒送电，这种现象在变频器使用操作中是绝对不允许的，必然烧坏变频器的逆变模块。
鉴频鉴相控制器的选用和工业试验
针对上述问题，在项目的设计中采用以下方法成功地解决了这一技术难题。在变频转工频的过程中，引入鉴频的过程中，引入鉴频鉴相控制器，该控制器不仅具有同相比较器的功能，还能实时准确跟踪变频器输入输出的相序和频率检测状况。
5.2.1 鉴频鉴相控制器的选用
鉴频鉴相控制器是采用单片机控制的智能相位频率跟踪控制器，能准确跟踪变频器输入输出的相序、相位和频率，保证变频器输入输出相序、相位频率一致时，对电机实现从变频到工频运行的无冲击切换。现场选用的鉴频鉴相控制器具有相位跟踪准确，技术先进，工作可靠，能显著延长电控元件电机水泵等设备的使用寿命特点。
1． 鉴频鉴相控制器的工作原理
变频器的三相输入和三相输出作为智能控制器的输入信号，信号经过整形，放大电路，以及频率、相位的跟踪电路处理，进入单片机。经由软件计算判断后，单片机发出指令完成相应的动作，在显示单元显示相应的输入输出频率，指示灯也指示各个状态。当变频器输入输出相位、频率一致时，控制器可分给出集电极开路输出信号（或继电器输出信号）；当变频器输入输出缺相、反序时，控制器有故障代码和指示灯同时报警，用户据此作相应处理。
2鉴频鉴相控制器的面板和接线端子说明
鉴频鉴相控制器的面板如图5-6所示
图5－6鉴频鉴相控制的面板
1． 变频器输入频率（或故障代码）显示区
2． 变频器输出频率（或故障代码）显示区
3． 变频器输入同频输出指示灯
4． 变频器输入同频输出指示灯
5． 变频器输入正相序指示灯
6． 控制器故障指示灯
7，8，9变频器三相输入指示灯
10，11，12变频器三相指示灯
在不同的工作条件下，控制器的面板说明如下：
A) 控制器上电后显示 HELO1.0，延时3秒后，若变频器上电且相序正确，1区显示变频器输入频率，2区显示为0；此时5、6、7、8、9灯亮，其它灯灭。随着变频器频率的上升，2区跟踪显示变频器输出频率。
B) 控制器上电后1，2区显示101－101，表明变频器没输出。控制器上电后1，2区显示110－110，表明变频器输入相序错。
C) 控制器上电后1，2区显示102－102，表明变频器没输出。控制器上电后1，2区显示119－119，表明变频器输入相序错。
D) 当变频器输入输出相位、频率一致时，控制器可分别给出集电极开路输出信号（或继电器输出信号），同时相应指示灯3，4亮。否则控制器无输出信号，对应指示灯灭。
鉴频鉴相控制器接线端子示意图如图5－7所示
图5－7鉴频鉴相控制器接线端子示意图
控制器的接线端子说明如下
A)1、2为220V交流电源输入端
B)同频、同相、故障为集电极开路输出。GND为集电极开路输出的公共端。
C)U1、V1、W1为变频器的三相输入端；U2、V2、W2为变频器的三相输出端。
接线时切记与变频器的输入输出——对应。
5.2.2工业试验
变频转工频的现场工业试验在茂名市水厂第一供水厂进行，水泵机组选用1＃机组，其电机型号为Y315M2－4，功率为160KW。没有引入鉴频鉴相控制器之前，大功率电机（160KW）变频转工频时，转换电流很大，经常出现跳闸或烧保险现象，几乎不能成功。鉴频鉴相控制器的接线如图5－8所示，1、2接220V交流电源输入；7、8、9为变频器的三相输入端；10、11、12为变频器的三相输出端；3、4为控制器的同相输出端。
图5-8鉴频鉴相比较器和PLC扩展模块的接线图
如上所述，当变频率输出频率达到50Hz时，先由鉴频鉴相比较器检测工频电源和变频电源相位是否一致,若相位一致，EM235的AIW6端口接受控制器3、4端子的0V电压信号，经由PLC比较计算，PLC执行一系列动作，M3.0闭合，BX-CM（K1）接通，切断变频器的输出，使变频器的输出电流为零。经T33瞬时延时后，迅速切断KM2和变频器端子FWD-CM（K2），在此状态下，切断KN2既保证了在切换时工频电源和变频电源相位一致，也从根本上消除了接触器的锄头间的电弧。然后再由PLC迅速发出命令，快速吸合KN1，如此便实现了快速切换的目的。若相位不一致，控制器在3、4端子输出+5V的电压信号，送入EM235的AIW6吕，经PLC比较计算，并不完成切换动作，从而保证变频器和水泵电机的安全运行。切换过程的PLC程序设计如下所示。
NETWORK 1
LD M1.0
A T40
AN T33
= Q1.0 //Q1.0(K2) FWD-CM relay
NETWORK 2
LD M3.0
= Q1.1 //Q1.1(K1) BX-CM relay
NETWORK 3
LD I0.0
O M1.0
AN T33 //Q0.0(KM2) VF contactor
= Q0.0
= M1.0
TON T40,+20 //T40 100ms Timer
NETWORK 4
LD M3.0
O M1.1
= Q0.1 //Q0.1(KM1) WF contactor
= M1.1
NETWORK 5
LD M1.0
AN M1.1
AW>= VW10,+3200 //检验频率是否达到50Hz
EU
S M2.0, 1
NETWORK 6
LD M2.0
AW<= AIW6,+500 //同相比较
= M2.1
NETWORK 7
LD M2.1
O M3.0
AN M4.0
= M3.0
TON T33,+1 //T33 10ms Timer
TON T34,+3 //T34 10ms Timer
NETWORK 8
LD T34
R M2.0, 1
= M4.0
从切换过程的PLC程序设计可以看出，为了避免水泵电机的转速下降过快，产生很大的起动电流而达不到软起动的目的，水泵切换过程中选用了T33、T34两个毫秒级的定时器，这样保证水泵切换过程在几十毫秒内迅速完成。
现场工业试验成功地实现了大功率电机（160KW）变频器转工频，转换电流稳定在450A左右，约为额定电流的1.5倍，从而保证变频器和接触器安全运行，真正实现了大功率电机的无冲击起动。此项研究技术彻底解决了钦州市第一供水厂困扰已久的技术难题，真正实现了单台变频器实现多台电机软启动的变频调速恒压供水，和传动的自藕降压起动相比较，大大地减少了电机起动电流和对水泵机组的破坏，也减少了对电网的冲击。
我们设计的单台变频器拖动多台电机变频运行的恒压供水自动控制系统，在钦州市自来水公司第一供水厂投入运行后，运行状况良好。该系统既具有水压稳定、节约能源、减少对电机设备的损坏等优点，又减轻了工人的劳动强度，在中小城市具有很好的应用前景和广泛的推广意义。
