变频器的变频切换
针对采用变频自动化控制系统中，在使用变频器拖带惯性负载运行过程、遇到变频器由工频供电切换到变频供电时，产生过大的冲击电流而损坏变频器，导致系统不能正常工作的情况，分析说明、并提出应对的解决方法。
1 引言
变频器、实际就是运动控制系统中的功率变换器，提供可控的高性能变压变频交流电源，在自动化控制系统应用越来越广泛，其中变频器应用最突出的特点有一台变频器与电动机组、多台变频器与电动机组协调运行，共同完成一项生产过程，在控制方式上常用PC、PLC联动组网等控制方式，有变频调速传动系统、也有变频恒压泵控系统和风机类控制系统等，本文主要讲述变频器在应用运行时要注意的问题及解决方法。
2 惯性负载电流对变频器的冲击
常用由变频器拖带的惯性负载、要通过工频供电或变频器的切换调压供电，通常的用电负载都是电动机。此时的电动机、在工频与变频切换时、电动机的转速不要下降太多。所以切换时间应尽量地短；另一方面，还要缩短切换时间，但在切换瞬间，电磁过渡过程远未结束，存在着定子绕组的电动势与电源电压叠加的问题。即产生大电流的原因十分明显，如果电动机由原变频跳变到与工频电源接通，在切换接通的瞬间，电源电压恰好与定子绕组的电动势同相，如图1所示，则切换时将没有附加的冲击电流；反之，如果电动机由原工频跳变到变频时与电源接通，即在切换接通的瞬间，电源电压恰好与定子绕组的电动势反相，如图2所示，则切换时必将产生很大的冲击电流，在最严重的情况下，冲击电流可接近于直接起动电流的2倍。但冲击电流的大小与变频器拖带惯性负载大小有关，对不同负载、其具体措施也不相同。
2.1 拖带大惯性负载时
大惯性负载在自由制动过程中，转速下降较慢，可达数秒或数十秒。此时电磁反应过渡过程的时间很短，只有1s左右。因此，在电动机从变频电源上断开，到接通工频电源之间的延时，只要调整到大于1s，就可以“躲开”电磁过渡过程，也就避免了冲击电流的产生。
2.2 拖带小惯性负载时
如部分风机类和泵控系统的电动机，其自由制动的过程与电磁反应过渡过程十分接近，则切换时必须进行相位搜索，以保证在接通工频电源的瞬间，工频电源的电压与定子电动势处于同相位状态（或接近于同相位状态），从而避免冲击电流。
3 差频同相的提出依据
对于大惯性负载、其电动机的运行通常由变频切换在工频上运行，从图1看出：电磁反应过渡过程的时间TF都较易调整大于时间TD就可避免了冲击电流的产生。而风机类和泵控类的小惯性负载电动机、要避免冲击电流过大，就必需将图2的电源电压波形与电动机定子绕组电动势波形调整到同相位时进行变频切换到工频，才能有效防止过大的冲击电流。而采用“差频同相”的切换方法，可使切换瞬间最大电流的峰值不超过电动机额定电流的2倍（IM′≤2IMIN）。
4 差频同相的实施
在变频器输出频率与电源频率切换时，利于两者的同相点之间将不断地作相对移动、从而“捕捉”到同相点。差频同相的方法既简单又可靠，但也要对变频器和惯性负载的切换响应有所考虑。
4.1 上限频率的合理预置
因为变频器的输出频率与电源的频率差△？越小，则同相点之间作相对移动的速度就越慢，“捕捉”同相点就越困难。所以，变频器的上限频率预置应小于50Hz的某个数值（如49.5Hz）。这个要求在变频泵控系统和风机类控制系统的工作并不相悖。从节能的观点出发，这两大类控制系统的预置时，工作在50Hz是并不可取的。因为，同样运行在50Hz下，变频运行比工频运行时的功耗要大一些。所以，把变频器的上限频率预置为49.5Hz或稍高一些是合理的。
4.2 预置切换的工作过程
当变频泵控系统或风机类控制系统中变频器的运行频率达到上限频率，并且经过确认时间，确认需要切换时，控制系统通过控制电路或程序将向“自动转换监控器”发出切换指令。“自动转换监控器”在得到指令后立即开始“捕捉”同相点，当“捕捉”到同相点时，切换工作即告完成。
4.3 关于切换时间（100ms）的预置
由上述的分析、并按所提的预设方法，当变频器由工频切换到变频时，同相点的跟随时间都很快。在拖带风机类和泵控系统较大惯性负载时，其冲击电流没有出现过大，对较小惯性负载时，其切换跳变非常平稳、也没有出现过大冲击电流，其峰值电流没超过电动机额定电流的1.5倍（IM′≤1.5IMIN）。
5 接入限流电抗器
随着变频器的广泛应用，变频器内部的保护电路、切换预置等已越来越完善。如果变频器本身具有切换功能者，一般都可以实现从工频运行切换至变频运行，切换时变频器将自动进行频率搜索。对变频器拖带惯性负载的应用，有内预置也有外置，通过程序的编写就能达到设计的目的，如采用PLC可编程控制器PID的调节来达到切换的时间响应，使变频器在频率切换时平稳、避免过大的冲击电流。但要注意的、当自行设计切换电路进行切换时，由于无法起动变频器的“频率搜索”功能，故切换时必须有可靠的限流措施，以保护变频器。经过多次的试运行、建议采用的限流措施便是在变频器和电动机之间接人输出电抗器XL，在变频器频率切换时、电路分别接入KM1与KM2，用KM3接入工频电源，如图5所示。由于在工频运行时接人电抗器会降低功率因数，故电抗器仅在变频运行时接人。
6 结语
通过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。
