[摘要>：交流電動(dòng)機(jī)是廣泛用于各領(lǐng)域的重要?jiǎng)恿υO(shè)備，電動(dòng)機(jī)數(shù)值可觀的起動(dòng)電流及其對(duì)供電系統(tǒng)的影響長(zhǎng)期困擾著人們，傳統(tǒng)的各種起動(dòng)方式都有這樣或那樣的弊端。自變頻調(diào)速器問世以后，交流電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)很好地解決了這一問題，但當(dāng)前大量出現(xiàn)的問題是電動(dòng)機(jī)升速到接近額定速切換到電網(wǎng)電源過程中，常常造成很大的沖擊并引起電動(dòng)機(jī)保護(hù)起動(dòng)跳閘，使切換失敗。交流電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)控制器很好地解決了這一問題，實(shí)踐證明電動(dòng)機(jī)的電源切換是能無擾動(dòng)平滑切入電網(wǎng)的。
關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速器 同期 沖擊
1 前言
交流電動(dòng)機(jī)廣泛用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，特別是同步電動(dòng)機(jī)更以其很高的節(jié)能效率及能向電網(wǎng)提供無功功率受到人們的青睞。然而異步電動(dòng)機(jī)可觀的起動(dòng)電流，以及同步電動(dòng)機(jī)不具備自行起動(dòng)能力的缺陷一直困擾著人們。變頻調(diào)速器的問世成功地解決了這兩個(gè)問題，即用零起升速的軟起動(dòng)方式完全消除了起動(dòng)電流及同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)難所帶來的問題。但變頻調(diào)速器作為起動(dòng)電源帶來了新的問題，即當(dāng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)升速到接近額定速時(shí)需要實(shí)施電動(dòng)機(jī)的電源切換，即從變頻調(diào)速器供電切換到電網(wǎng)供電。而長(zhǎng)期以來人們所使用的切換方法導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)經(jīng)常受到極大的沖擊，甚至誘發(fā)電動(dòng)機(jī)保護(hù)動(dòng)作使切換失敗。究其原因，是人們忽視了電源的切換是必須遵循交流電機(jī)同期（或同步）三準(zhǔn)則的，即必須在變頻電源與電網(wǎng)電源的電壓、頻率相近時(shí)捕捉兩電源電壓相角差為零的瞬間完成電源切換。而當(dāng)前普遍流行的切換方式卻忽視了最重要的相角差條件，這是損害電機(jī)的重要原因。
2 電源切換過程描述

圖2-1給出了交流電動(dòng)機(jī)電源切換的示意圖，變頻調(diào)速器的輸出三相電源UV及電網(wǎng)電源US分別經(jīng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)ATS給電動(dòng)機(jī)M供電。起動(dòng)程序是：變頻調(diào)速器按預(yù)先設(shè)定的升頻及升壓方式，通過ATS開關(guān)給電動(dòng)機(jī)逐步由零升壓及升頻，并網(wǎng)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)UV及US的頻差、壓差及相角差，當(dāng)變頻器輸出電壓UV與電網(wǎng)電源電壓US的頻差△f及壓差△U達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，并網(wǎng)控制器將在相角差 到達(dá)0°之前相當(dāng)于ATS開關(guān)固有合閘時(shí)間tk的瞬間對(duì)ATS開關(guān)發(fā)出切換控制命令，實(shí)現(xiàn)電源無擾動(dòng)切換。考慮到在ATS開關(guān)切換過程中，電動(dòng)機(jī)將會(huì)在相當(dāng)于開關(guān)合閘時(shí)間tk的時(shí)段內(nèi)失去電源而進(jìn)入惰轉(zhuǎn)減速狀態(tài)，因此，并網(wǎng)控制器應(yīng)具備計(jì)及這一因素的自適應(yīng)功能。也就是要考慮在切換過程中控制器測(cè)量到的△f及△U值會(huì)有一定程度的增加，發(fā)出切換命令的提前控制角要向增大方向作一定的修正。
3 并網(wǎng)控制器原理簡(jiǎn)介
并網(wǎng)控制器是基于微處理器的智能控制器，考慮到電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境較惡劣，控制器在防護(hù)及溫度適應(yīng)性方面具有良好的品質(zhì)。體積輕巧，安裝方便，且操作簡(jiǎn)便，屬傻瓜型設(shè)計(jì)風(fēng)格?？刂破鞯闹饕斎胄盘?hào)是變頻器的輸出電壓和電網(wǎng)電源電壓，直接取用相電壓或線電壓?？刂破麟娫从呻娋W(wǎng)電源的相電壓或線電壓提供，內(nèi)部有專門的穩(wěn)壓模塊，保證電壓有較大幅度的波動(dòng)時(shí)仍能正常工作。控制器輸出用以驅(qū)動(dòng)ATS開關(guān)的接點(diǎn)容量為400VAC，5A。
控制器從輸入的UV和US單相電壓獲取兩電壓的實(shí)時(shí)電壓差 、頻率差 及相角差 的信息，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的ATS開關(guān)切換時(shí)間tk、容許切換頻差△fy及容許切換壓差
△Uy，控制器按計(jì)及頻差△f及△f的一階導(dǎo)數(shù)d△f/dt及二階導(dǎo)數(shù)d2△f/dt2的微分方程快速求解發(fā)出控制切換命令的提前角 ，如圖3-1所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中 為兩電壓的角頻率差，可以看到，當(dāng)UV升速過程中與US之間的相角差為 時(shí)控制器發(fā)出切換命令，經(jīng)過ATS開關(guān)的切換時(shí)間tk后，恰好在UV與US重合時(shí)ATS開關(guān)在已切斷變頻電源UV的前提下給電動(dòng)機(jī)接入U(xiǎn)S，ATS開關(guān)因在機(jī)械上實(shí)現(xiàn)了兩路輸入電壓的互鎖。因此，完全杜絕了目前使用兩個(gè)接觸器（或斷路器）時(shí)可能發(fā)生的UV與US短路現(xiàn)象。
為保證在UV的升速過程中不失時(shí)機(jī)的捕捉到切換時(shí)機(jī)，控制器還采用了理想提前角 的預(yù)測(cè)算法，確保不放過首次出現(xiàn)的切換時(shí)機(jī)。
控制器面板上設(shè)有簡(jiǎn)潔的如下人機(jī)交互界面，如圖3-2所示：

圖3-2 并網(wǎng)控制器面板布置圖
（1） 同步表：
由12個(gè)LED發(fā)光二極管組成的園形同步表，兩相鄰LED的角差為30°，同步表的功能是：
A、 指示在UV及US兩輸入端接入兩同頻率交流電壓的相角差，即用以“核相”；
B、 指示在UV及US兩輸入端接入兩不同頻率交流電壓的瞬時(shí)相角差，及兩電壓的頻差極性，如LED燈順時(shí)針方向閃亮，表明UV的頻率高于US，反之則為fV＜fs；
C、 同步表園心的紅色LED燈閃亮表明正在實(shí)施切換操作，持續(xù)點(diǎn)亮?xí)r間為控制器預(yù)置ATS開關(guān)切換時(shí)間定值的二倍。
（2） 參數(shù)設(shè)置拔碼開關(guān)
有三組參數(shù)設(shè)置拔碼開關(guān)；
A、 ATS開關(guān)切換時(shí)間設(shè)置拔碼開關(guān)：三位，每位有0～9十個(gè)狀態(tài)，三位開關(guān)設(shè)置值為000～999毫秒；
B、 容許頻差設(shè)置拔碼開關(guān)：一位，0～9十個(gè)狀態(tài)，設(shè)置值為0～0.9Hz；
C、 容許壓差設(shè)置拔碼開關(guān)：一位，0～9十個(gè)狀態(tài)，設(shè)置值為（5%、6%、7%、8%、9%、10%、12%、14%、16%、20%）額定電壓。
（3） 狀態(tài)指示燈二個(gè)
A、 電源指示燈；
B、 控制器故障報(bào)警燈。
（4） 工作/標(biāo)定選擇開關(guān)。確定控制器當(dāng)前是處在并網(wǎng)工作狀態(tài)或電壓值標(biāo)定狀態(tài)
（5） 復(fù)位按鈕及標(biāo)定按鈕。對(duì)控制器實(shí)施復(fù)位操作或執(zhí)行電壓標(biāo)定
（6） 接線端子排
共15個(gè)端子，接入信號(hào)有四類：
A、 控制器電源3個(gè)端子可選擇輸入380VAC或220VAC；
B、 電網(wǎng)電壓4個(gè)端子可選擇輸入100VAC或220VAC或380VAC；
C、 電動(dòng)機(jī)電壓（變頻器電壓）4個(gè)端子，可選擇輸入100VAC或220VAC或380VAC；
D、 切換控制輸出接點(diǎn)，4個(gè)端子即兩對(duì)接點(diǎn)。
4 并網(wǎng)控制器結(jié)構(gòu)尺寸
如圖4-1

圖4-1 控制器結(jié)構(gòu)尺寸
5 結(jié)束語
變頻調(diào)速器的出現(xiàn)為改善交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)條件，及提高電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)設(shè)備如水泵、風(fēng)機(jī)等的節(jié)能效益起到了積極的作用，因此變頻器得到了廣泛的應(yīng)用。近年來我國(guó)豐富的稀土元素又促進(jìn)了稀土永磁同步電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，同步電動(dòng)機(jī)較之異步電動(dòng)機(jī)的高效率及能向系統(tǒng)提供無功功率的優(yōu)勢(shì)更受到人們的青睞，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)節(jié)能減排重要國(guó)策起到了強(qiáng)有力的支撐作用。隨著交流電動(dòng)機(jī)與變頻調(diào)速器的匹配聯(lián)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)在完成起動(dòng)過程后轉(zhuǎn)由電網(wǎng)電源供電的切換操作就顯得非常重要，根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前幾乎所有電動(dòng)機(jī)由變頻電源切換到電網(wǎng)電源的操作都只是遵循頻率相近的原則。而忽視了最重要的相角相近的原則。因此，電源切換頻頻產(chǎn)生對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊甚至跳閘，造成損毀設(shè)備的嚴(yán)重后果。本文介紹的并網(wǎng)控制器從根本上杜絕了前述問題，這對(duì)于大量使用的同步電動(dòng)機(jī)及轉(zhuǎn)子可能在定子斷電時(shí)還殘存剩磁的異步電動(dòng)機(jī)是不可或缺的安全保障。