交流电动机并网控制器在石化系统中应用

[摘要>：交流电动机是广泛用于各领域的重要动力设备，电动机数值可观的起动电流及其对供电系统的影响长期困扰着人们，传统的各种起动方式都有这样或那样的弊端。自变频调速器问世以后，交流电动机的软起动很好地解决了这一问题，但当前大量出现的问题是电动机升速到接近额定速切换到电网电源过程中，常常造成很大的冲击并引起电动机保护起动跳闸，使切换失败。交流电动机并网控制器很好地解决了这一问题，实践证明电动机的电源切换是能无扰动平滑切入电网的。
关键词：变频调速器 同期 冲击
1 前言
交流电动机广泛用于国民经济的各个领域，特别是同步电动机更以其很高的节能效率及能向电网提供无功功率受到人们的青睐。然而异步电动机可观的起动电流，以及同步电动机不具备自行起动能力的缺陷一直困扰着人们。变频调速器的问世成功地解决了这两个问题，即用零起升速的软起动方式完全消除了起动电流及同步电动机起动难所带来的问题。但变频调速器作为起动电源带来了新的问题，即当电动机软起动升速到接近额定速时需要实施电动机的电源切换，即从变频调速器供电切换到电网供电。而长期以来人们所使用的切换方法导致电动机经常受到极大的冲击，甚至诱发电动机保护动作使切换失败。究其原因，是人们忽视了电源的切换是必须遵循交流电机同期（或同步）三准则的，即必须在变频电源与电网电源的电压、频率相近时捕捉两电源电压相角差为零的瞬间完成电源切换。而当前普遍流行的切换方式却忽视了最重要的相角差条件，这是损害电机的重要原因。
2 电源切换过程描述

图2-1给出了交流电动机电源切换的示意图，变频调速器的输出三相电源UV及电网电源US分别经自动转换开关ATS给电动机M供电。起动程序是：变频调速器按预先设定的升频及升压方式，通过ATS开关给电动机逐步由零升压及升频，并网控制器实时监测UV及US的频差、压差及相角差，当变频器输出电压UV与电网电源电压US的频差△f及压差△U达到预先设定的值时，并网控制器将在相角差 到达0°之前相当于ATS开关固有合闸时间tk的瞬间对ATS开关发出切换控制命令，实现电源无扰动切换。考虑到在ATS开关切换过程中，电动机将会在相当于开关合闸时间tk的时段内失去电源而进入惰转减速状态，因此，并网控制器应具备计及这一因素的自适应功能。也就是要考虑在切换过程中控制器测量到的△f及△U值会有一定程度的增加，发出切换命令的提前控制角要向增大方向作一定的修正。
3 并网控制器原理简介
并网控制器是基于微处理器的智能控制器，考虑到电动机的工作环境较恶劣，控制器在防护及温度适应性方面具有良好的品质。体积轻巧，安装方便，且操作简便，属傻瓜型设计风格。控制器的主要输入信号是变频器的输出电压和电网电源电压，直接取用相电压或线电压。控制器电源由电网电源的相电压或线电压提供，内部有专门的稳压模块，保证电压有较大幅度的波动时仍能正常工作。控制器输出用以驱动ATS开关的接点容量为400VAC，5A。
控制器从输入的UV和US单相电压获取两电压的实时电压差 、频率差 及相角差 的信息，根据预先设定的ATS开关切换时间tk、容许切换频差△fy及容许切换压差
△Uy，控制器按计及频差△f及△f的一阶导数d△f/dt及二阶导数d2△f/dt2的微分方程快速求解发出控制切换命令的提前角 ，如图3-1所示，其数学表达式如下：

式中 为两电压的角频率差，可以看到，当UV升速过程中与US之间的相角差为 时控制器发出切换命令，经过ATS开关的切换时间tk后，恰好在UV与US重合时ATS开关在已切断变频电源UV的前提下给电动机接入US，ATS开关因在机械上实现了两路输入电压的互锁。因此，完全杜绝了目前使用两个接触器（或断路器）时可能发生的UV与US短路现象。
为保证在UV的升速过程中不失时机的捕捉到切换时机，控制器还采用了理想提前角 的预测算法，确保不放过首次出现的切换时机。
控制器面板上设有简洁的如下人机交互界面，如图3-2所示：

图3-2 并网控制器面板布置图
（1） 同步表：
由12个LED发光二极管组成的园形同步表，两相邻LED的角差为30°，同步表的功能是：
A、 指示在UV及US两输入端接入两同频率交流电压的相角差，即用以“核相”；
B、 指示在UV及US两输入端接入两不同频率交流电压的瞬时相角差，及两电压的频差极性，如LED灯顺时针方向闪亮，表明UV的频率高于US，反之则为fV＜fs；
C、 同步表园心的红色LED灯闪亮表明正在实施切换操作，持续点亮时间为控制器预置ATS开关切换时间定值的二倍。
（2） 参数设置拔码开关
有三组参数设置拔码开关；
A、 ATS开关切换时间设置拔码开关：三位，每位有0～9十个状态，三位开关设置值为000～999毫秒；
B、 容许频差设置拔码开关：一位，0～9十个状态，设置值为0～0.9Hz；
C、 容许压差设置拔码开关：一位，0～9十个状态，设置值为（5%、6%、7%、8%、9%、10%、12%、14%、16%、20%）额定电压。
（3） 状态指示灯二个
A、 电源指示灯；
B、 控制器故障报警灯。
（4） 工作/标定选择开关。确定控制器当前是处在并网工作状态或电压值标定状态
（5） 复位按钮及标定按钮。对控制器实施复位操作或执行电压标定
（6） 接线端子排
共15个端子，接入信号有四类：
A、 控制器电源3个端子可选择输入380VAC或220VAC；
B、 电网电压4个端子可选择输入100VAC或220VAC或380VAC；
C、 电动机电压（变频器电压）4个端子，可选择输入100VAC或220VAC或380VAC；
D、 切换控制输出接点，4个端子即两对接点。
4 并网控制器结构尺寸
如图4-1

图4-1 控制器结构尺寸
5 结束语
变频调速器的出现为改善交流电动机的起动条件，及提高电动机拖动设备如水泵、风机等的节能效益起到了积极的作用，因此变频器得到了广泛的应用。近年来我国丰富的稀土元素又促进了稀土永磁同步电动机的发展，同步电动机较之异步电动机的高效率及能向系统提供无功功率的优势更受到人们的青睐，为实现我国节能减排重要国策起到了强有力的支撑作用。随着交流电动机与变频调速器的匹配联动，电动机在完成起动过程后转由电网电源供电的切换操作就显得非常重要，根据不完全统计，当前几乎所有电动机由变频电源切换到电网电源的操作都只是遵循频率相近的原则。而忽视了最重要的相角相近的原则。因此，电源切换频频产生对电动机的冲击甚至跳闸，造成损毁设备的严重后果。本文介绍的并网控制器从根本上杜绝了前述问题，这对于大量使用的同步电动机及转子可能在定子断电时还残存剩磁的异步电动机是不可或缺的安全保障。