摘 要：工頻旁路運(yùn)行是高壓變頻器的一種重要運(yùn)行方式，高壓變頻器與工頻電源之間切換不當(dāng)會(huì)引起很大的電流沖擊和嚴(yán)重的電磁干擾。提出了高壓變頻器與工頻電源之間的軟切換概念，論述了軟切換的原理及其實(shí)現(xiàn)方法，使用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)幾種切換方式的仿真結(jié)果表明，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟切換方式有效地避免了過(guò)大的沖擊電流，保證了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)過(guò)渡。 關(guān)鍵詞：高壓變頻器；工頻電源；軟切換；PSCAD/EMTDC 　　 引言 高壓變頻器故障或維護(hù)時(shí)，需要將電機(jī)從高壓變頻電源切換到工頻電源；多臺(tái)電機(jī)共用1臺(tái)高壓變頻器時(shí)，高壓變頻器要按一定順序把電機(jī)逐一變頻軟啟動(dòng)，最后切換到工頻運(yùn)行。因此，工頻旁路運(yùn)行是高壓變頻器的一種重要運(yùn)行方式。另外，高壓變頻器瞬時(shí)掉電再投人時(shí)需要高壓變頻器繼續(xù)對(duì)電機(jī)供電；風(fēng)機(jī)、水泵等從工頻運(yùn)行切換到高壓變頻調(diào)速運(yùn)行等，都需要切換到高壓變頻器運(yùn)行。高壓變頻器與工頻電源之間切換不當(dāng)會(huì)引起很大的電流沖擊和嚴(yán)重的電磁干擾[1]。文獻(xiàn)［2］將高壓變頻電源與工頻電源之間的切換方式分為異步切換和同步切換。文獻(xiàn)［3］介紹了消除切換沖擊電流的幾種方法：投人電網(wǎng)時(shí)鑒定電壓相位、在電機(jī)定子接人三相滅磁電阻等。這些方法比較麻煩，實(shí)時(shí)效果差，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降很多，電機(jī)轉(zhuǎn)差率成倍增大，導(dǎo)致電機(jī)切換瞬間的電流也可能成倍增大。眾所周知，異步切換時(shí)引起的電流沖擊最大，同步切換可以減少電流沖擊，也存在一定的電流沖擊。 在高壓變頻器工頻旁路切換時(shí)，不允許在實(shí)際系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行多次切換來(lái)驗(yàn)證各種切換方式的效果。 本文提出了高壓變頻器與工頻電源之間的軟切換概念，論述了軟切換的原理及其實(shí)現(xiàn)方法，使用PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真軟件對(duì)幾種切換方式進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟切換方式有效地避免了過(guò)大的沖擊電流，保證了電機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)過(guò)渡。 1 高壓變頻器的切換方式 高壓變頻器的工頻旁路運(yùn)行如圖1所示。高壓變頻器供電時(shí)，QSi，QS2，KM1和KM2閉合；工頻電網(wǎng)供電時(shí)QS3和KM3閉合。QS2和QS 3 , KM2和KM3在高壓變頻器運(yùn)行時(shí)必須互相閉鎖，保證工頻電源與高壓變頻電源之間進(jìn)行切換。QSl ,QS2 , QS3用來(lái)徹底切斷系統(tǒng)的電源。 [align=center] 圖1高壓變頻器的工頻旁路運(yùn)行 Fig. 1 Bypass operation of inverter system[/align] 根據(jù)電機(jī)運(yùn)行特性、工頻旁路切換頻度和對(duì)象系統(tǒng)的要求，高壓變頻器與工頻電源之間常用的切換方式分為直接切換、異步切換、同步切換以及軟切換。 a．直接切換。指在保證高壓變頻器與電網(wǎng)電源相序一致的前提下，直接倒閘切換工頻電源與高壓變頻電源，直接切換時(shí)不檢測(cè)電壓的幅值、頻率和相位。這種方式要求系統(tǒng)及保護(hù)能夠容許切換時(shí)的波動(dòng)和沖擊，因而很少使用。 b.異步切換。指檢測(cè)電壓的幅值和頻率而不檢測(cè)電壓相位的切換。異步切換時(shí)最嚴(yán)重的情況出現(xiàn)在高壓變頻器輸出電壓與電網(wǎng)電壓的相位差1800時(shí)，會(huì)造成很大的沖擊電壓和電流，沖擊電流最大可達(dá)額定電流的30倍左右。這種方式要求系統(tǒng)能夠容許切換時(shí)的沖擊和轉(zhuǎn)矩變化，一般只用于小功率低壓變頻系統(tǒng)。 c.同步切換。指檢測(cè)電壓的幅值、頻率和相位的切換川。采用同步切換技術(shù)可以使切換電流不超過(guò)電機(jī)額定電流的2．5倍，同步切換時(shí)，轉(zhuǎn)速在工頻電源投人前后變化極小。 d.軟切換。指在檢測(cè)電壓的幅值、頻率和相位后，控制高壓變頻器輸出同頻、同相、幅值可控的電壓，實(shí)現(xiàn)“無(wú)擾”切換。軟切換有先投后切和先切后投兩種情況。工頻電源切換到高壓變頻電源的過(guò)程中，首先利用相位檢測(cè)和鎖相控制使高壓變頻電源與機(jī)端殘壓相位保持一致，在高壓變頻器的V/F保持基本不變的基礎(chǔ)上，選擇最優(yōu)的高壓變頻器切換運(yùn)行點(diǎn)，調(diào)整高壓變頻器的輸出電壓和頻率。這樣，投人高壓變頻器時(shí)電機(jī)基本無(wú)沖擊電流，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本保持不變。高壓變頻切換到工頻過(guò)程中，用鎖相環(huán)鎖定工頻電源的相位和頻率，控制高壓變頻器使電機(jī)在稍微高于額定電壓和頻率的狀態(tài)下進(jìn)行切換。這樣，就可以實(shí)現(xiàn)高壓變頻電源與工頻電源之間的軟切換。 2 仿真及分析 本文使用PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)圖1所示的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。該軟件是由加拿大Manitoba大學(xué)高壓直流輸電研究中心研發(fā)的電磁暫態(tài)分析軟件包，其主要功能是進(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真，典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律，對(duì)切換過(guò)程的暫態(tài)波形可以得到很好的仿真結(jié)果。PSCAD有網(wǎng)絡(luò)版（EE）和個(gè)人計(jì)算機(jī)版（PE）。PE版適用于低于15個(gè)節(jié)點(diǎn)的仿真系統(tǒng)，大于15個(gè)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)要用EE版151。 [align=center] 圖2 PSCAD仿真用主電路 Fig. 2 Main circuit for PS-AD simulation[/align] 電機(jī)仿真參數(shù)如下：額定線電壓為6 kV，額定相電流為0. 159 kA，極對(duì)數(shù)為8,額定負(fù)載下的功率因數(shù)為0. 8，額定負(fù)載下的效率為0. 935，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)差率為0. 008，額定電壓下的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1，最大轉(zhuǎn)矩為1. 8,額定電壓下的啟動(dòng)電流為6（標(biāo)么值），機(jī)械阻尼為0. 008。 　　2．1異步切換仿真 　　異步切換時(shí)電機(jī)定子電流波形如圖3所示。電機(jī)在工頻電源供電下穩(wěn)定運(yùn)行5．5 S時(shí)斷開工頻電源，5. 55 S時(shí)異步切換到高壓變頻電源。由圖3看出，異步切換時(shí)電流沖擊非常明顯，為額定電流的30倍左右，對(duì)電機(jī)和高壓變頻器造成很大的沖擊，而且電機(jī)恢復(fù)的穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間較長(zhǎng)，超過(guò)1. 5 S,電機(jī)震動(dòng)非常劇烈。 [align=center] 圖3異步切換時(shí)電機(jī)定子電流i。的波形 Fig. 3 Stator current curve of asynchronous-switching[/align] 　　2．2同步切換仿真 　　同步切換時(shí)的電機(jī)定子電流波形如圖4所示。電機(jī)在工頻電源供電下穩(wěn)定運(yùn)行5．5s時(shí)斷開工頻電源,5. 55 s時(shí)同步切換到高壓變頻電源。由圖4可以看出，采用同步切換方式時(shí)電流有比較小的沖擊，大約是額定電流的2. 5倍。切換到高壓變頻電源0．25 s后，電機(jī)能重新進(jìn)人新的穩(wěn)定狀態(tài)。 [align=center] 圖4同步切換時(shí)電機(jī)定子電流i：的波形 Fig. 4 Stator current curve of synchronous-switching[/align] 　　2. 3軟切換仿真 　　軟切換時(shí)的電機(jī)定子電流波形如圖5所示。電機(jī)在工頻電源供電下穩(wěn)定運(yùn)行5．5s時(shí)斷開工頻電源，5. 55 s時(shí)軟切換到高壓變頻電源。由圖5可以看出，軟切換時(shí)高壓變頻電源開始由一個(gè)比較低的電壓和頻率對(duì)電機(jī)供電，在保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定的情況下，電機(jī)所受的沖擊電流非常小，與電機(jī)額定運(yùn)行電流基本保持一致，逐步升高高壓變頻器的輸出電壓和頻率，使電機(jī)比較平穩(wěn)地過(guò)渡到額定運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾的軟切換。 [align=center] 圖5軟切換時(shí)的電機(jī)定子電流i：的波形 Fig. 5 Stator current curve of soft-switching[/align] 3 軟切換方式的實(shí)現(xiàn) 軟切換是在同步切換的硬件基礎(chǔ)上，通過(guò)控制器的特殊邏輯設(shè)計(jì)，完成工頻電源與高壓變頻器之間的軟切換。電機(jī)運(yùn)行在工頻電網(wǎng)需要切換到變頻調(diào)速運(yùn)行時(shí)，首先利用相位檢測(cè)及鎖相控制使高壓變頻器跟蹤電機(jī)端殘壓相位和頻率，選擇最優(yōu)的高壓變頻器工作運(yùn)行點(diǎn)投人高壓變頻器，然后逐步升高變頻器的輸出電壓和頻率達(dá)到工頻電壓和頻率值，使電機(jī)逐步運(yùn)行到額定狀態(tài)。這時(shí)電機(jī)沖擊電流最小，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩基本保持不變。高壓變頻器旁路運(yùn)行切換瞬間，控制變頻器提高變頻器的輸出電壓和頻率，跟蹤電機(jī)端殘壓幅值和相位進(jìn)行切換，實(shí)現(xiàn)高壓變頻器與工頻電源之間軟切換。 4 結(jié)語(yǔ) 高壓變頻器在工頻旁路運(yùn)行的切換時(shí)，要盡可能減少切換過(guò)程對(duì)電網(wǎng)、高壓變頻器以及電機(jī)的沖擊。本文提出了高壓變頻器與工頻電源之間的軟切換概念，論述了軟切換的原理及其實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)于需要頻繁切換的高壓大容量變頻拖動(dòng)系統(tǒng)，采用軟切換方式可以避免過(guò)大的沖擊電流，保證轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)過(guò)渡。