一、高壓變頻器變頻/工頻無(wú)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(lái)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(wú)能為力。即便如此，在降壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程中，由于沒(méi)有改變電源的頻率，因此在啟動(dòng)瞬間過(guò)壓的轉(zhuǎn)差率還是會(huì)導(dǎo)致較大的過(guò)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(kāi)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(guò)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(wú)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(chē)而需要逐漸降低轉(zhuǎn)速慢慢停車(chē)的情況下要電機(jī)從工頻切換回變頻再通過(guò)降頻來(lái)慢慢停車(chē)。例如恒壓供水系統(tǒng)，當(dāng)水壓過(guò)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(chē)，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(chē)。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(guò)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(guò)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(guò)載，從而導(dǎo)致高壓開(kāi)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(guò)無(wú)擾切換功能實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊切換。

二、無(wú)擾切換功能的實(shí)現(xiàn)原理

無(wú)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(wú)擾切換——在切換過(guò)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(yáng)龍?jiān)措娏﹄娮佑邢薰荆ㄒ韵潞?jiǎn)稱廣東明陽(yáng)）的高壓變頻器為例，說(shuō)明無(wú)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(yáng)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(yáng)的高壓變頻器是沒(méi)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(lái)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(yáng)變頻器輸出同步過(guò)程圖（從左往右，紫色輸出同步黃色工頻電壓）

此外，廣東明陽(yáng)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(yáng)高壓變頻器無(wú)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(yáng)的高壓變頻器工頻與變頻實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換的過(guò)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(kāi)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(wèn)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(kāi)KM2隨后停機(jī)并斷開(kāi)KM1，到此正式完成變頻切工頻。

圖 廣東明陽(yáng)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(kāi)KM8，高壓變頻器進(jìn)行充電并自檢，在自檢通過(guò)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(wèn)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(kāi)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(yáng)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(yáng)的高壓變頻器實(shí)測(cè)實(shí)際應(yīng)用中可以看出，具有無(wú)擾切換功能的變頻器無(wú)論是變頻切換到工頻還是工頻切換到變頻時(shí)基本無(wú)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(wú)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。