1、关于异步电机在脱离变频后，投入工频的瞬间，其冲击电流的研究关于异步电机在脱离变频后，投入工频的瞬间，其冲击电流的研究写在前面的引子：这是一个在工控论坛里对此一直都在感兴趣的讨论话题。 因为我没有此应用经历， 又苦于无法实验加以证实，所以对本题目有关的议论总是将信将疑。这个题目在中国工控网上早有争论。而且比较激烈。甚至危言耸听。在我们中华工控网也有过类似的讨论。我特意在“百度”上搜了一下本专题，竟然都是中国工控网和本论坛的讨论，将其汇集成册，仔细消化，会不断产生新的认识。不错，要是能对本问题试验一下，证实一下该有多好。眼见为实了。那个很危险的“相位说”在哪有出处呢？唯有实验证明了。本文只是将中华
2、工控网论坛里的讨论作了一个归纳和汇集，张贴于此。希望能对浏览本文者有一定的启发与参考。问题的提出：有一个变频切换成工频的项目，由于电机功率较大（125KW） ，在用变频器带载启动后切换成工频时发生空开跳闸。前后想一想，百思不得其解。其实这也就是一个切换的暂态过程。所引发的问题是：如果在一台转子（此时定子已经无电压）正在以额定转速旋转的大功率电机上加上额定电压，投入瞬间会有多大的冲击电流？怎样计算这一冲击电流？其原理是什么？其实在星三角转换电路中由星形转换成三角形时，变频切换成工频时都会有这种情况发生。提出来此问题，是希望高手们多多加以讨论，这样会对大家有帮助的。问题的分析和讨论：上述提出问题的
3、第一种情况，转子旋转，定子没电压的状态，给定子加全压，问此时有没有电流冲击？应该说：如果定子电压所加的旋转磁势与转子的旋转方向一致，且电机轴空载，则没有什么电流冲击。反之，如果定子电压所加的旋转磁势与转子的旋转方向相反，则有很大的电流冲击。起码 6-8 倍以上的额定电流冲击。上述所提的第一种情况，肯定是带一定负载的，只不过是轻载而已，并且是定子电压所加的旋转磁势与转子的旋转方向一致。那么，也不会有很大的冲击电流。不会跳闸。上述提出问题的第二种情况，所问的是当变频切换成工频时的暂态过程会怎样？并且以为，在星三角转换电路中，由星形转换成三角形时，会有这种情况发生。其实，那可不一样。星角启动的情况，
4、电机即便是空载，也是从转速为 0 时突然加速，由于电机轴系的惯量存在，突然的加速， 必然会有电流冲击。 只是因为星角转换的定子与转子的电势差远小于直接加全压、 加速启动时的情况， 所以对电机而言， 星三角启动时必有冲击电流， 只是这种冲击电流，对电机而言可以承受。15021230050www.PLCwww.91HMI.com其实如果电机旋转，定子没电压，此时想对定子加压（再）启动，采用变频调速装置中的“捕捉再启动功能”可以很好的解决“平滑”再启动过程，从根本上消弱动态的电流冲击。在西门子的网上课堂里，http:/ 有一个旁路控制（P1260)例子， 讲述了通常在变频器故障或电机运行频率接近 5
5、0hz 时， 需要采用旁路控制，即电机在变频运转和工频运转之间转换。这个例子，其实对上述展开讨论的问题，很有参考和借鉴的价值。 采用旁路电路后， 即可由变频器向电机供电, 也可以直接由电源向电机供电,一般由变频器数字量输出控制切换两个机械上互相锁定的接触器。 采用西门子的变频器， 运行切换条件可以自行选择，通常可由变频器故障信号，数字输入信号或某些特定条件切换。变频器还可以进行电机循环起动控制。在 PID 控制方式下，变频器除自身所驱动的电机之外， 可以最多再连锁控制三台辅助电机的运行。 各台辅助电机可以通过接触器或电机起动器投入运行， 接触器和电机起动器的接通和断开由变频器的三个输出继电器控
6、制， 这一功能可广泛应用于风机和供水系统优化运行中。当变频器运行在最大频率，且 PID 反馈信号表明系统需要达到更高的速度时，变频器按照事先设定的分级组合接通相应电机。同时，为尽量减小对系统的冲击，变频器减小输出频率至最小值。反之，当变频器运行在最小频率，且PID 反馈信号表明系统需要进一步降低速度时，变频器控制相应电机退出运行。同样，为尽量减小对系统的冲击，变频器升高输出频率至最大值。分级组合方式有多种，为保证分级控制的稳定，软件中采用滞环和延时功能，且都可以通过参数进行调节。乍一看， 西门子的这个例子与我们展开的讨论有关系吗？我们不是在讨论变频切工频时候过流问题吗？就是切换时候，对于电机来
7、说，切换的电源是不是同相的？如果不是同相的话，会有转换电流产生？一般来说， 会跳闸？再严重一点就不好说了。 据说这种情况需要加一设备，来鉴别变频输出是不是跟工频同相，如果同相的话，就可以切换，绝对不会有问题。对了，还得保证切换足够的快 。但是，如果仔细的研究一下西门子网上课堂的这个例子，你会发现， 它不仅回答了我们提出的问题， 而且还给出了一台装置分别带动多台电机轮流转换的多种解决方案。这里面，并没有提及所谓的、我们耽心的切投工频的相位问题。而是提到了在一拖多的系统中，是保持一台电机固定调频，其他的电机轮流工频投入，还是所有的电机都做变频和工频的轮流切投。这是目前西门子变频器所具有的灵活功能。
8、他告诉我们，我们所担心的问题，对变频器控制来说，却都是安全的、成熟的、可以解决的。不必耽心。那么，再回过头来，讨论我们开始提出的问题。当电机在变频切换成工频时，一般来说电机已经脱离了变频电源，而且工频电源也还没有接上。此时的电机只有机械惯性引起的转动。由于电机定子已经脱离电源，转子切割定子剩磁产生的电势，几乎没有多少，本不用考虑。可为什么还会跳闸呢？是不是工频电源投入瞬间并开始建立旋转磁场时， 由于转子的速度高于旋转磁场刚加速时的速度而产生的反电势引起的呢？星三角切换和变频切换到工频是完全不同的两种情况， 要区别开来。 星三角切换是建立在同一电源条件下， 转子在相电压下建立的瞬间惯性旋转时所产
9、生的反电动势相位与新加的线电压相位差不多正好相反，相互抵消后，剩余电压所能产生的冲击电流就不会有多大了，一般不会超过 3 倍额定电流，而且时间特短。理论上讲，此时切换过程越快，产生的冲击电流越小。但是接触器断流时需要一个灭弧时间，否则由于弧花连接便要产生直接短路了。因此星三角切换的冲击电流总还是不小的。 变频切换成工频时， 电动机在变频电源驱动下所产生15021230050www.PLCwww.91HMI.com的反电动势相位很难与工频电源相反的， 甚至正好同相， 那么这时工频电源加载电动机上时所产生的冲击电流就不得了了。这就是为何大功率电动机无法做到变工切换的原因。如上所说的加一设备鉴别变频
10、输出是否与工频同相， 概念是对的， 只是这种设备迄今还很少见到，而且似乎没有意义，因为同相的机会很难得。除非此设备同时兼有调相功能，能够调整变频输出电源相位，这样一来，此设备的难度是很大的，造价也很难估计（与目前的变频起比较） 。对于工频变频切换，这很容易实现的。现在几乎所有的变频器都带有捕捉启动功能，就是为了实现此种切换且切换平滑用的。而对于变频投入工频的转换，却有着另一种声音。“在任何情况下， 我都不建议应用变频工频这种切换。 这种应用表面看实现了一台变频器可以供给多台电动机软启动这种功能，实际是比“硬启动”还要硬启动伤害电机、伤害电网等等坏处不一而足，甚至伤害人身安全！”呵呵，好尖锐呀。
11、当然这代表着一种观点和技术风格。有人认为：如果在一台转子（此时定子已经无电压）正在以额定转速旋转的大功率电机上加上额定电压。如果在转换的时候确实是满足这个条件，那么这是一个理想的转换条件。理论上应该没有冲击。当转子在额定速度运行时，因为转子惯性的原因，可以认为在转换瞬间速度没有变化或可以忽略， 此时的转子转差频率为额定转差频率， 转子和定子电抗都是满足额定条件的，也不可人为改变，因而转子电流就是是额定电流。至于引起空开跳闸，重点是要看这个条件是否真正的满足， 另外还要看两个系统在电路或电位上是处于隔离状态， 否则会产生交扰引起过电流。对于变频器转投工频，上面说的关键技术是相位检测，通过电压信号
12、过零，电压波峰，电压差值检测， 然后进行相位调整。 相位是通过对调整输出电压实现的， 转矩与电压平方成正比，转矩瞬时减小， 使驱动转距减小到小于阻力转矩， 造成电机转速下降， 转差率上升电流上升，相位后移。反之亦然。这种说法显然是一种猜测，而且没有明确的结论。但是，其意在于承认相位说。并且提出了由变频器对其输出电压做相位调整的概念。还有人这样分析： 其实最关键的问题是异步电机是可以做发电机用的， 如果在一百年前有人说异步电机可以发电一定会被人笑掉牙。 现在每个人都知道再生制动的问题。 由于电机本身有剩磁，现在的更大(现在用的硅钢片都很烂)，当使用变频调速到工频时，瞬间脱离后变成发电机，与工频很
13、难相位相同，所以才会有相位的问题。冲击很大，用相位跟踪可以解决。星角起动与发电机并联合闸时的情况相近，冲击会小很多。如果一台电机是被拖动的,并且不在发电状态,切到工频时冲击电流应该不大。没有试过。呵呵，也是推测的分析，有相位说的含义。针对变频切投工频产生转换电流的冲击， 有人采用了一句话给与概括说明： 是同步转速和实际转速的关系 。请注意这里将原因明确的归结为电机的转速差，而不是电源的相位差。这自然是合理的、容易被接受结论。针对变频切投工频产生转换电流的冲击，从两个方面分析可得如下结论：1.无剩磁：转子中不存在感生电流，在定子上不感生电势，投入定子电源后，定子电流决定15021230050ww
14、w.PLCwww.91HMI.com于定子绕组的电感大小。由于转子已旋转，转差率小，转子感生电流小，去磁作用弱，定子电流不会很大。带负载起动时冲出电流的产生，是由于转差率大，转子电流大，其去磁作用强烈，引起定子电流增加。2.电机有剩磁：转子惯性转动时，在定子线圈中会产生感生电势。其值与转子转速和剩磁大小有关（认为成正比吧） ，如果投入定子电源时，两在同相，会使电流增大。但不至于造成跳闸。星、三角型启动就是如此应用的。与此时负载大小无关，变频转工频时情况也一样。以上讨论的观点中都提到转子在定子中感生电势的问题，按最坏的情况来分析：E=U 且与定子电压 U 同相，不考虑转子电流的去磁作用，也就相当
15、于两倍定子电压加在定子线圈上，那最坏结果就是 2*U/L，也不至于跳闸。启动电流大的关键在于转子电流的去磁作用。 使得定子电流一部分提供气隙主磁场， 另外还有一部分用以抵消转子的反相磁场。如果说在变频切投工频时产生跳闸故障现象，可以从主回路上找找问题。结束语：啊，非常欣慰，本专题里最后的几段讨论，正合吾意。本文的关键是什么？我认为是投入工频时，有没有惯性力产生的加速电流而形成的电流冲击。所以说 4575kW 以下小电机，可以直接投入工频，是因为首先他们的惯性小，额定电流也小， 所以上一级的开关能够承受直接投入工频时的瞬时加速电流的冲击， 而不跳闸。如果电机再大， 惯性力也大， 加速电流的倍数成
16、倍增加， 上一级开关的容量就会受到限制了。所以不可直接投入工频。本文的问题就在于，如果电机断电，且没有剩磁，电机轴在惯性力的作用下滑行，这时投入工频， 其惯性力产生的加速电流远比电机静止时的加速电流要小， 因此不会产生大的电流冲击。那种“相位说”我对其心有余悸。它从原理上分析实在牵强。第一，切投工频之前，电机没有电磁场，第二，切投工频之前的电机转速不可能大于额定转速。这两条就决定了电机投入工频的瞬间，既不可能发电（制动） ，也不会产生大的惯性力引起的加速电流。这里哪有什么相位问题呢？假设电机投入工频瞬间存在相位，那一定说明电机是有源的。源在哪？只能来源于剩磁了。然而， 电机的剩磁可以在电机还没有脱开变频器的时候， 通过逆变器模块的续流二极管回路短路掉（延时断开） 。剩磁消除了，所谓的投入瞬间的相位自然也就不存在了。因此，相位说从理论上讲不通呀。当然，实践是检验真理的唯一标准。对我来说，这里仍然是在纸上谈兵。不过，没有脱离了原理的分析，也是有一定的思路引导与参考价值。但愿如此。15021230050www.PLCwww.91HMI.com注：本体的讨论条件是电机空载或者轻载，电机断电做惯性滑行的延时以后，其转速降落值与额定转速值之差，小于额定转速的 1/3。转速降落的太大，就相当于全压启动时的电流冲击了。15021230050www.PLCwww.91HMI.com
