雙變頻器熱備切換應用技術的研究

張軍梁，王興

(1. 中國石油化工股份有限公司 鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江 寧波 315207；2. 杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018)

石油化工行業(yè)對生產(chǎn)連續(xù)性要求非常高，對于系統(tǒng)中的某些關鍵設備，如乙烯裂解爐引風機，一旦控制出現(xiàn)故障會造成重大的經(jīng)濟損失[1]。因此，如何保證該類變頻器傳動系統(tǒng)的連續(xù)性對提高裝置的平穩(wěn)運行有著重要的實際意義。

采用雙變頻器熱備的冗余控制方式是一種解決方案，但見諸報道的該類研究較少。本文以雙機熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)為目標開展試驗研究，具體探討了雙變頻器快速平穩(wěn)切換方案的技術問題。經(jīng)分析研究，選擇了變頻器跟蹤啟動功能并結合其外部切換時間和內(nèi)部參數(shù)優(yōu)化的方案，通過試驗獲得了工程上有實用價值的數(shù)據(jù)和結論。

1　切換過程的理論分析

對于雙變頻器帶1臺電機的情況，完全的無擾切換要求主變頻器和備用變頻器電源的電壓幅值、頻率和相位在切換瞬間保持完全一致，如電力系統(tǒng)的同期并網(wǎng)[2-3]，而未加控制的情況并非如此。

(1)

式中：Z1——定子繞組阻抗。

由此可見,切換過程中主備變頻電源的相位是切換擾動大小的關鍵因素。

圖1　異步電機切換過程向量關系示意

2　變頻器切換方案綜述

2.1　變頻-工頻切換

常見的變頻器切換方式是變頻和工頻之間互切，接觸器KM1和KM2為互鎖狀態(tài)，主回路原理如圖2所示。變頻器運行時，KM1閉合，KM2打開；工頻運行時，KM1打開，KM2閉合。

圖2　變頻-工頻切換主回路原理示意

常用的切換方式有異步切換和同步切換[4]。

1) 異步切換。指變頻和工頻電壓的幅值、頻率吻合，而不要求相位相同的切換。該方式在變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差為180°時，會出現(xiàn)15～20倍額定電流以上的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊。一般應用于低壓小功率變頻系統(tǒng)，如住宅小區(qū)變頻恒壓供水系統(tǒng)。

2) 同步切換。指變頻和工頻兩者的電壓幅值、頻率、相位都相同時的切換。這里需要采用同步切換技術，如鎖相環(huán)技術，可以使切換電流不超過電機額定電流的2.5倍，同步切換時，電機的轉(zhuǎn)速前后變化極小。一般應用于大功率系統(tǒng)和高壓變頻器。

文獻[5]借助鎖相環(huán)技術使交流電機從變頻器切換到工頻電源瞬間的電壓頻率和相位不變，達到平穩(wěn)切換的目的。切換過程中電機電流不超過其額定電流的1.5倍。

文獻[6]研究了使用變頻器作為鎖相環(huán)的電壓控制振蕩器環(huán)節(jié)，變頻器同步到工頻電源的過程。主要特點是可以使用變頻器的普通模擬輸入控制口，而不牽涉內(nèi)部控制程序，既不需要增加任何的板卡，也不需要對控制程序進行改寫，非常實用，能在很短的時間內(nèi)把變頻器的輸出同步到工頻。

文獻[7]設計了數(shù)字鎖相環(huán)同步切換系統(tǒng)，采用Matlab/Simulink仿真平臺對高壓變頻器和電網(wǎng)之間的切換進行研究。

文獻[8]采用鎖相環(huán)同步切換技術，實現(xiàn)高壓變頻器與工頻的互切，理論與試驗研究完整。

文獻[9]中提到了軟切換概念，它是在同步切換的硬件基礎上，通過控制器的特殊邏輯設計，完成工頻電源與高壓變頻器之間的軟切換。電機運行在工頻電網(wǎng)需要切換到變頻調(diào)速運行時，首先利用相位檢測及鎖相控制使高壓變頻器跟蹤電機端殘壓相位和頻率，選擇最優(yōu)的高壓變頻器工作運行點投入高壓變頻器，然后逐步升高變頻器的輸出電壓和頻率達到工頻電壓和頻率值，使電機逐步運行到額定狀態(tài)，這時電機沖擊電流最小，電機的轉(zhuǎn)矩基本保持不變。文獻[9]只進行了從工頻到變頻的切換仿真，其中的切換實質(zhì)類似于目前變頻器內(nèi)部固有的跟蹤啟動功能。

文獻[10]論述了命名為無痕切換的方式，實現(xiàn)了高壓變頻器切換時無電流沖擊和很小的轉(zhuǎn)速波動。文獻[11]也是采用同步切換和轉(zhuǎn)速跟蹤切換的方法解決高壓變頻器的切換問題。文獻[12]闡述了用變頻器的自由停車指令將電動機滅磁，然后再投入電網(wǎng)，該法在切換期間電機運行特性會有變化。

2.2　變頻 - 變頻切換

雙變頻器熱備冗余的電氣一次回路如圖3所示，圖中2臺變頻器分別經(jīng)QF1與QF2提供2路供電，KM1與KM2互為電氣聯(lián)鎖。上述的切換方案，對于雙變頻器互相切換的情況可以借鑒，區(qū)別是原有電網(wǎng)供電回路變?yōu)樽冾l器輸出回路。

圖3　變頻雙機熱備主回路原理示意

綜上所述，針對變頻器無擾動切換技術問題，首先需要考慮的是沖擊電流對切換的影響，即當運行變頻器故障或運行變頻器所在母線電源失電造成變頻器欠壓跳閘時，直接切換到備用變頻器，備用變頻器很可能由于電流沖擊而導致變頻器過流故障，造成切換失敗。當電機從運行變頻器斷開后，轉(zhuǎn)子由于慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，定子電流雖然為零，但由于剩磁作用將在定子繞組中產(chǎn)生感應三相電壓，電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降而減小。當電機切換到備用變頻器運行時，定子繞組中感應電壓的大小、相位將決定是否能夠平穩(wěn)切換。如果切換時刻感應電壓和備用變頻器輸出電壓在允許的同相角范圍內(nèi)，切換較容易；如果在非同相角范圍內(nèi)，就會產(chǎn)生嚴重的沖擊電流，導致變頻器過流跳閘，切換失敗。

對于變頻-變頻切換，目前常采用的切換方案有如下幾種[1]：

1) 增加延時。電機從運行變頻器斷開后按慣性減速，感應電壓隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的下降而減小。備用變頻器投入延時，對減小電流沖擊有益。但是延時太短，效果不明顯；延時太長，又不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。因此，該方法不是解決問題的根本方法和最佳方案。

2) 加大變頻器容量。由于變頻器切換過程中，容易瞬間產(chǎn)生較大的沖擊電流，導致短時間變頻器超負荷跳機。適當增大變頻器容量，使變頻器能承受切換時的峰值電流，也是一種實現(xiàn)變頻-變頻順利切換的方法。

3) 加裝交流電抗器。在變頻器至電機之間加裝輸出濾波電抗器，改變了電機電纜的電氣參數(shù)，可以有效降低諧波電流，減小切換時的電流沖擊，同時對改善電機的發(fā)熱和振動也有好處。交流電抗器可按變頻器產(chǎn)品說明書中提供的規(guī)格加以選用，也可自行制作。

4) 采用變頻器跟蹤啟動功能。現(xiàn)在一般變頻器都具有跟蹤啟動功能,它是根據(jù)檢測運轉(zhuǎn)中的電機磁通和機械狀態(tài)，輸出相應PWM調(diào)制電壓以跟蹤電機的速度為目標的驅(qū)動控制。設定應用該功能后，變頻器在每次啟動時都會自動檢測電機狀態(tài)，然后根據(jù)電機的狀態(tài)輸出與電機相近的速度與電壓來驅(qū)動電機，這樣能使電機工況平穩(wěn)過渡。

3　雙機熱備變頻切換試驗

本文的研究目標為2臺變頻器帶1臺電機，通過變頻-變頻無擾動切換，實現(xiàn)電機的不停機運行。研究采用變頻器跟蹤啟動功能和優(yōu)化變頻器參數(shù)的方案，該方案是一個相對經(jīng)濟簡便的解決方案，不需要增加額外裝置，對于小功率系統(tǒng)具有很大的實用價值。

研究直接從試驗入手，分別選取了11，22，45 kW ABB ACS800系列3臺變頻器，與相應的電動機搭建了雙機熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)的試驗系統(tǒng)。其主回路原理如圖3所示，2路電源經(jīng)QF1與QF2分別接入變頻器1與變頻器2，2路輸出通過KM1與KM2向三相電機供電，KM1與KM2互相聯(lián)鎖。正常工作期間，QF1，QF2，KM1或KM2閉合；保證2路中有1路正常供電，另1路處于熱備用狀態(tài)。一旦檢測到主變頻器供電電壓出現(xiàn)問題，將控制KM1或KM2斷開，KM2或KM1閉合，以進行變頻器的切換，進而實現(xiàn)電動機在雙機熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)下的穩(wěn)定運行。

試驗方案采取改變備用變頻器容量、調(diào)整備用變頻器加減速時間和啟動延時、調(diào)整主機脫機延時等方式，通過對各種狀況下的電壓、電流波形進行比對分析，得出結論。

試驗用儀表記錄整個切換過程中電動機端電壓電流波形。其中每個試驗波形圖中均有4個關鍵時間點，如圖4～圖13所示。T1時刻主變頻器發(fā)生故障，電機側(cè)電壓、電流均發(fā)生瞬間跌落，電機轉(zhuǎn)子由于慣性作用繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，期間有個主機接觸器斷開延時；T2時刻備用變頻器延時啟動，之后備用變頻器進入速度追蹤狀態(tài)；T3時刻備用變頻器完成速度追蹤，開始增大輸出電壓、電流，電機轉(zhuǎn)速逐漸恢復；T4時刻電機側(cè)電壓、電流恢復到故障前狀態(tài)，變頻器之間的切換完成，系統(tǒng)開始正常穩(wěn)定工作。

3.1　不同容量的備機切換試驗

該實驗主變頻器為11 kW，備用變頻器為22 kW帶額定5.5 kW的電機，實際輕載運行電流5 A左右。

1) 切換試驗1。當11 kW主變頻器發(fā)生故障時，22 kW備用變頻器延時1 s后啟動，變頻器加減速時間為10 s。電機端三相電壓、電流有效值在切換過程中的波形如圖4～圖5所示，圖5中T2-T1=1.25 s，T3-T1=16.05 s，T4-T1=18.08 s，備用變頻器速度追蹤時間約為14.8 s，期間最大沖擊電流約21.39 A。

圖4　22 kW作為備用變頻器電機端三相電壓有效值示意

圖5　22 kW作為備用變頻器電機端三相電流有效值示意

2) 切換試驗2。22 kW備用變頻器改做主機，11 kW主變頻器改做備機，啟動和加減速時間同上，電機端三相電壓、電流有效值在切換過程中的波形如圖6～圖7所示，圖7中T2-T1=1.15 s，T3-T1=1.93 s，T4-T1=3.70 s，備用變頻器速度追蹤時間約為0.78 s，期間最大沖擊電流約22.79 A。

對比圖4～圖7可以得出試驗結論： 備用變頻器的容量與電機匹配合適，有利于變頻器對電機的準確辨識和快速跟蹤，功率匹配過大反而是不利的。試驗另外表明： 跟蹤方式下的最大沖擊電流基本上都在電機額定電流的2倍左右。

圖6　11 kW作為備用變頻器電機端三相電壓有效值示意

圖7　11 kW作為備用變頻器電機端三相電流有效值示意

3.2　備機不同加減速時間和啟動時間切換試驗

3.2.1不同加減速時間切換試驗

試驗變頻器和電機同上，這時電機實際帶載為額定容量5.5 kW的80%，備機延時啟動時間為0.6 s。選擇10 s和5 s加減速時間做試驗，切換試驗電壓、電流波形如圖8～圖11所示，備機不同的加減速時間的切換記錄數(shù)據(jù)見表1所列。

表1　備機不同加減速時間下的切換試驗數(shù)據(jù)

1) 切換試驗1。當變頻器加減速時間為10 s時，電機端三相電壓、電流有效值在切換過程中的波形如圖8～圖9所示，圖9中T2-T1=0.77 s，T3-T1=3.23 s，T4-T1=8.40 s。

圖8　變頻器加減速時間為10s時電機端三相電壓切換波形對比示意

圖9　變頻器加減速時間為10 s時電機端三相電流切換波形對比示意

2) 切換試驗2。當變頻器加減速時間為5 s時，電機端三相電壓、電流有效值在切換過程中的波形如圖10～圖11所示，圖11中T2-T1=0.78 s，T3-T1=3.23 s，T4-T1=5.75 s。

對比圖8～圖11可以看出，備用變頻器切換后到達穩(wěn)定的時間與變頻器加減速時間有關，加減速時間越短切換完成越快，最大沖擊電流沒有明顯變化，它取決于備機合閘時變頻器輸出電壓與電機的殘壓差。

3.2.2備機不同啟動時間切換試驗

試驗采用45 kW 的變頻器，負載電機15 kW，運行電流30 A左右。主機接觸器釋放延時為2 s，備機加減速為30 s，延時啟動的時間從1.5 s逐步縮小到0.1 s，記錄試驗數(shù)據(jù)見表2所列。

圖10　變頻器加減速時間為5 s時電機端三相電壓切換波形對比示意

啟動延時/s(T2-T1)/s(T4-T1)/sImax/A1.51.00.50.13.653.152.652.257.256.886.756.7855.751.341.639.5

備機不同延時啟動時間的切換均能成功，說明備機啟動觸發(fā)條件滿足時，基本可以實現(xiàn)立即啟動，切換總時間沒有影響。原因是主機延時2 s脫開時，電機殘壓和轉(zhuǎn)速已經(jīng)很小，相當于從零開始啟動；而縮短延時到很小時，電機殘壓較大，啟動的尖峰電流相對較小。

3.3　主機不同釋放延時切換試驗

該試驗主要目的是為了實現(xiàn)最快的切換。顯然策略是在主機故障發(fā)生時，立刻釋放主機，快速切換到備機，并立刻啟動。設置備機延時啟動時間為0.001 s，加減速時間為15 s開始延時，負載給定80%，主機延時釋放從0.500 s減小到0.001 s，表3是試驗數(shù)據(jù)，切換試驗電壓、電流波形如圖12～圖13所示。

主機延時釋放時間越短，總的切換時間也越小，上述系統(tǒng)基本可以做到在1 s內(nèi)完成切換，結果是比較理想的，該時間與鎖相環(huán)技術[6]的水平相當。但是，多次試驗并不是都能切換成功的，往往是備機因過流而跳機，其主要原因： 因主機釋放時間極短，電機還有較大的電勢，合閘瞬間的電源與電機電勢的相位差的隨機性決定了切換試驗的成敗，當然備機變頻器容量較大就可以承受過流，但是過大的備機變頻器又會導致辨識跟隨的遲緩。

圖12　主機延時釋放時間為0.001 s電機端三相電壓切換波形對比示意

圖13　主機延時釋放0.001 s時間為電機端三相電流切換波形對比示意

時間/s電機殘壓/V(T2-T1)/s(T4-T1)/sImax/A1.0000.5000.00138512152.151.650.286.155.200.4541.452.1138.0

4　結束語

通過以上一系列試驗，可以得出以下結論：

1) 處于備用狀態(tài)的變頻器，其容量匹配要略大，使得能夠承受切換瞬間所產(chǎn)生較大的沖擊電流。但容量過大時，會延長變頻器辨識跟隨電機的時間，反而導致切換時間過長。一般情況下，變頻器的容量大于電機2檔為宜。

2) 對備用變頻器來講，在工藝允許的情況下，適當延長主變頻器的延時釋放時間，可以確保切換100%成功，并且備用變頻器延時啟動時間最短能設置到0.001 s，總切換時間可以做到5 s左右。

3) 要獲得最快速的切換時間，縮短主變頻器延時釋放時間是關鍵，為確保切換的成功率，適當加大備用變頻器的容量以及變頻器本身的跟隨啟動的內(nèi)部控制性能是關鍵，建議從試驗獲得切換參數(shù)，如果成功，總切換時間可在1 s內(nèi)。

4) 變頻器內(nèi)部的加減速時間及PID參數(shù)，對備用變頻器調(diào)節(jié)至穩(wěn)定狀態(tài)的時間有直接影響。加減速時間越短，切換完成的時間將相應縮短，但是為防止備用變頻器調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)過電流，加減速時間的設置需根據(jù)實際的不同工況進行設置。對于不同的工況、不同容量的變頻器，備用變頻器調(diào)節(jié)至穩(wěn)定輸出狀態(tài)的時間是不一樣的。

5) 考慮到電抗器本身可以抑制變頻器輸出電流的波動，為避免切換時大電流沖擊對變頻器本身造成損害，所以輸出配以電抗器及其合理的參數(shù)選擇也是有益的，本文不再贅述。

本文提出了雙機熱備變頻調(diào)速系統(tǒng)方案，該方案充分考慮了實際切換過程中存在的沖擊電流過大問題，通過提高備用變頻器的容量以及開啟變頻器自身的跟蹤給定功能和控制參數(shù)優(yōu)化，在幾乎不改變原有電氣主回路的基礎上實現(xiàn)了該功能，解決了以往因一段供電母線失電或變頻器故障影響裝置安全運行的問題，一定程度上滿足了石化企業(yè)對生產(chǎn)工藝連續(xù)性與可靠性的要求。這種方案特別適用于對連續(xù)生產(chǎn)要求很高、對速度波動要求又不是特別高的場所。

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