三相交流电机同相位无冲击工变频切换应用研究

本文介绍一种同相位无冲击的变频转工频控制方案，该方案适用于三相交流永磁同步电机(PMSM)以及感应电机(ACIM)。

1应用背景

提出同相位无冲击的工变频切换的背景是目前主流变频器厂商仅有简单的不考虑电网相位的工变频切换方案，其缺点是从变频控制切换到工频的瞬间，由于电机有很强的反电动势，当电网相位和电机反电动势的相位不一致时，虽电压幅值一致，但相位差造成的电压差最大可接近电网电压幅值，该电压差施加在电机定子绕组上，与工频直接启动的情形类似，故切换瞬间电流可达7倍左右。大电流一方面造成低压断路器和电网变压器的容量需要放大，另一方面造成转子的力矩跳动，可能影响生产工艺，同时可能伤害机械，造成寿命下降。对于同步电机，此问题显得极其严重，原因是同步电机转子无阻尼，一旦切换瞬间相位不一致造成震荡，则可能需要很长时间甚至无法衰减至稳定。

在电机输入端串入三相电抗器可以改善非同相切换时的冲击，但电抗器在重载的时候有显著压降，造成电机供电电压不足，影响电机效率，同时又增加了成本和体积。最理想的方案是检测电网相位，实现同相位切换。

2传统直接切换的方案以及问题

直接切换的方案，如图1，其控制步骤是：

KM1闭合，KM2闭合，KM3断开，变频器运行到工频50Hz

变频器关闭输出，KM2断开，KM3闭合。

由于电机在变频器关闭输出后，仍存在很强的反电动势，其相位与电网的相位具有随机性，当相位完全一致时，无任何冲击，当相位差别达到180°时，加在电机绕组的电压达到电网电压的2倍左右，此时的冲击电流高达电机额定电流的14倍，很可能造成跳闸或损坏传动轴承等。

图1变频直接切换至工频配电原理图

3带电抗器缓冲的方案以及问题

带电抗器缓冲的方案，如图2，是在直接切换方案基础上加入电抗器，通过提高线路感抗，以降低在切换瞬间相位不一致时大电压差造成的大电流。此方案能显著降低冲击电流，但串入的电抗器会引起较大压降，因此切换完毕，还需要将电抗器短路，即KM3闭合。

图2含输入电抗器的变频切换至工频的配电原理图