关键词：高压变频器；工频电源；软切换；PSCAD/EMTDC
引言
高压变频器故障或维护时，需要将电机从高压变频电源切换到工频电源；多台电机共用1台高压变频器时，高压变频器要按一定顺序把电机逐一变频软启动，最后切换到工频运行。因此，工频旁路运行是高压变频器的一种重要运行方式。另外，高压变频器瞬时掉电再投人时需要高压变频器继续对电机供电；风机、水泵等从工频运行切换到高压变频调速运行等，都需要切换到高压变频器运行。高压变频器与工频电源之间切换不当会引起很大的电流冲击和严重的电磁干扰[1]。文献［2］将高压变频电源与工频电源之间的切换方式分为异步切换和同步切换。文献［3］介绍了消除切换冲击电流的几种方法：投人电网时鉴定电压相位、在电机定子接人三相灭磁电阻等。这些方法比较麻烦，实时效果差，电机转速下降很多，电机转差率成倍增大，导致电机切换瞬间的电流也可能成倍增大。众所周知，异步切换时引起的电流冲击最大，同步切换可以减少电流冲击，也存在一定的电流冲击。
在高压变频器工频旁路切换时，不允许在实际系统内进行多次切换来验证各种切换方式的效果。
本文提出了高压变频器与工频电源之间的软切换概念，论述了软切换的原理及其实现方法，使用PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真软件对几种切换方式进行了仿真研究。仿真结果表明，高压变频调速系统的软切换方式有效地避免了过大的冲击电流，保证了电机转速的平稳过渡。
1 高压变频器的切换方式
高压变频器的工频旁路运行如图1所示。高压变频器供电时，QSi，QS2，KM1和KM2闭合；工频电网供电时QS3和KM3闭合。QS2和QS 3 , KM2和KM3在高压变频器运行时必须互相闭锁，保证工频电源与高压变频电源之间进行切换。QSl ,QS2 , QS3用来彻底切断系统的电源。
图1高压变频器的工频旁路运行
Fig. 1 Bypass operation of inverter system
根据电机运行特性、工频旁路切换频度和对象系统的要求，高压变频器与工频电源之间常用的切换方式分为直接切换、异步切换、同步切换以及软切换。
a．直接切换。指在保证高压变频器与电网电源相序一致的前提下，直接倒闸切换工频电源与高压变频电源，直接切换时不检测电压的幅值、频率和相位。这种方式要求系统及保护能够容许切换时的波动和冲击，因而很少使用。
b.异步切换。指检测电压的幅值和频率而不检测电压相位的切换。异步切换时最严重的情况出现在高压变频器输出电压与电网电压的相位差1800时，会造成很大的冲击电压和电流，冲击电流最大可达额定电流的30倍左右。这种方式要求系统能够容许切换时的冲击和转矩变化，一般只用于小功率低压变频系统。
c.同步切换。指检测电压的幅值、频率和相位的切换川。采用同步切换技术可以使切换电流不超过电机额定电流的2．5倍，同步切换时，转速在工频电源投人前后变化极小。
d.软切换。指在检测电压的幅值、频率和相位后，控制高压变频器输出同频、同相、幅值可控的电压，实现“无扰”切换。软切换有先投后切和先切后投两种情况。工频电源切换到高压变频电源的过程中，首先利用相位检测和锁相控制使高压变频电源与机端残压相位保持一致，在高压变频器的V/F保持基本不变的基础上，选择最优的高压变频器切换运行点，调整高压变频器的输出电压和频率。这样，投人高压变频器时电机基本无冲击电流，电机的转矩基本保持不变。高压变频切换到工频过程中，用锁相环锁定工频电源的相位和频率，控制高压变频器使电机在稍微高于额定电压和频率的状态下进行切换。这样，就可以实现高压变频电源与工频电源之间的软切换。
2 仿真及分析
本文使用PSCAD/EMTDC仿真软件对图1所示的系统进行了仿真研究。该软件是由加拿大Manitoba大学高压直流输电研究中心研发的电磁暂态分析软件包，其主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时电参数随时间变化的规律，对切换过程的暂态波形可以得到很好的仿真结果。PSCAD有网络版（EE）和个人计算机版（PE）。PE版适用于低于15个节点的仿真系统，大于15个节点的系统要用EE版151。
图2 PSCAD仿真用主电路
Fig. 2 Main circuit for PS-AD simulation
电机仿真参数如下：额定线电压为6 kV，额定相电流为0. 159 kA，极对数为8,额定负载下的功率因数为0. 8，额定负载下的效率为0. 935，额定负载下的转差率为0. 008，额定电压下的启动转矩为1，最大转矩为1. 8,额定电压下的启动电流为6（标么值），机械阻尼为0. 008。
2．1异步切换仿真
异步切换时电机定子电流波形如图3所示。电机在工频电源供电下稳定运行5．5 S时断开工频电源，5. 55 S时异步切换到高压变频电源。由图3看出，异步切换时电流冲击非常明显，为额定电流的30倍左右，对电机和高压变频器造成很大的冲击，而且电机恢复的稳定运行的时间较长，超过1. 5 S,电机震动非常剧烈。
图3异步切换时电机定子电流i。的波形
Fig. 3 Stator current curve of asynchronous-switching
2．2同步切换仿真
同步切换时的电机定子电流波形如图4所示。电机在工频电源供电下稳定运行5．5s时断开工频电源,5. 55 s时同步切换到高压变频电源。由图4可以看出，采用同步切换方式时电流有比较小的冲击，大约是额定电流的2. 5倍。切换到高压变频电源0．25 s后，电机能重新进人新的稳定状态。
图4同步切换时电机定子电流i：的波形
Fig. 4 Stator current curve of synchronous-switching
2. 3软切换仿真
软切换时的电机定子电流波形如图5所示。电机在工频电源供电下稳定运行5．5s时断开工频电源，5. 55 s时软切换到高压变频电源。由图5可以看出，软切换时高压变频电源开始由一个比较低的电压和频率对电机供电，在保证电机转矩恒定的情况下，电机所受的冲击电流非常小，与电机额定运行电流基本保持一致，逐步升高高压变频器的输出电压和频率，使电机比较平稳地过渡到额定运行状态，实现了无扰的软切换。
图5软切换时的电机定子电流i：的波形
Fig. 5 Stator current curve of soft-switching
3 软切换方式的实现
软切换是在同步切换的硬件基础上，通过控制器的特殊逻辑设计，完成工频电源与高压变频器之间的软切换。电机运行在工频电网需要切换到变频调速运行时，首先利用相位检测及锁相控制使高压变频器跟踪电机端残压相位和频率，选择最优的高压变频器工作运行点投人高压变频器，然后逐步升高变频器的输出电压和频率达到工频电压和频率值，使电机逐步运行到额定状态。这时电机冲击电流最小，电机的转矩基本保持不变。高压变频器旁路运行切换瞬间，控制变频器提高变频器的输出电压和频率，跟踪电机端残压幅值和相位进行切换，实现高压变频器与工频电源之间软切换。
4 结语
高压变频器在工频旁路运行的切换时，要尽可能减少切换过程对电网、高压变频器以及电机的冲击。本文提出了高压变频器与工频电源之间的软切换概念，论述了软切换的原理及其实现方法。对于需要频繁切换的高压大容量变频拖动系统，采用软切换方式可以避免过大的冲击电流，保证转速和转矩的平稳过渡。
