众所周知,在如图1所示的一般的通用变频器中输入端(r、s、t)和输出端(u、v、w)不能接反,否则:当变频器未运行时,三相电源会经过由6个反向续流二极管构成的三相整流桥后接到还未充电的中间回路电容上,由于输出侧没有限流电阻,过大的充电电流(注意,未充电的电容对于外电路相当于瞬间短路)会将中间回路输出侧快熔烧毁。
当变频器已运行后,还未将变频器完全停止就将另一路电源(三相市电或其他变频器的输出)接到了该变频器的输出侧,由于变频器的输出侧电路相当于一个三相可逆整流桥,只不过正组桥是二极管不可控,因此只要由igbt构成的反组桥有一个igbt导通,就会导致电源经igbt的共阳极组的一个管子与二极管共阴极组的一个管子短路(相当于直流可逆电路中的正反组切换失败),而变频器的输出侧一般都没有快溶,只能将igbt烧坏,而在pwm控制方式下,igbt的换向脉冲切换很快,因此,一旦出现这种情况,变频器的输出侧igbt会瞬间损坏,输出侧电源短路时的电流流通路径如图2所示。
将变频器输出侧误接入其他电源的一个特例是,输出侧接入的另一路电源是与变频器的输入电源(如图中的a、b、c)来自同一个变压器的输出,比如在用变频器做软启动设备时,变频器还未退出运行,就将旁路接触器合闸的情况,此时变频器输入侧的电源会经过输入整流桥、直流中间电路、输出侧导通的igbt短路。
根据以上关于电压型变频器输出与其他电源并联的分析,可以引申出以下两个问题:
(1) 如果采用电压型变频器做为软启动,是否允许变频器还在运行时就将电机并入公用电网?
(2) 两台独立的交-直-交电压型变频器是否允许并联运行?
2 电压型变频器做为软启动能否实现启动与运行的完全无扰动切换
在集中供水系统中,为了简化设计,经常采用一台变频器既做为软启动设备分时启动水泵电机,又通过调速运行做为某台水泵的流量调节设备,以保证供水系统的总管压力恒定。
理想的软启动过程当然是希望通过检测软启动设备输出三相电压与公用电网三相电压完全同步(电压幅值、频率、相位)后,先合旁路接触器,使软启动输出和公用电网两路电源先并联,然后再将软启动设备退出运行。
如果采用软启动器,由于它本身只是一个三相交流调压设备,不会改变输入侧电压的频率和相位,当晶闸管触发角为0°时,输出电压和输入电压即公用电网电压相同,因此允许先并联后退出的启动过程。
但对于采用电压型变频器做为软启动设备,就必须先退出变频器运行再将旁路接触器合闸,否则会造成电源短路,用电压型变频器作为软启动的主回路原理图和程序控制要求如图3所示。
程序设计要求如下:
(1) 接触器km1、km2的合闸逻辑要连锁,不能同时合闸。
(2) km1不能带电流断开,否则会因电流变化大或操作过电压使变频器报警动作,甚至会因操作过电压击穿igbt,切换运行时要先发出变频器的自由停车命令,并确认变频器停止运行后再分断km1,然后合上km2。
(3) 如果有从工频再切回变频器运行的要求(如在供水系统中,因用水量减小,管网压力升高,电机需要由工频运行切回变频运行),一定要先合输出侧的接触器km1,否则变频器先运行再合接触器km1,会因电机启动时的电流冲击使变频器过流跳闸。
为了尽可能地实现无扰动切换,考虑到当从变频器切换到工频运行的瞬间,虽然电机定子侧的磁场能量在接触器分闸瞬间已经释放,但电机转子侧的磁场能量的消耗需要一定的时间(一般1~3s,与电机容量有关),转子的磁场会在异步电动机定子侧感应电势,因此更为合理的切换电路是采用同步检测单元和ats双电源切换开关(之所以采用ats,是因为ats自带的机械联锁对于实现电路切换更为可靠),当同步检测单元检测到变频器输出电压的频率、幅值、相位及相序与工频电网在允许范围后,发出ats的切换命令,切到工频运行,其主回路原理图如图4所示。
对这种切换电路的控制要求是在检测电压同步后,要先封锁变频器输出再发出ats切换命令。
顺便指出,lci变频器经常用于大型同步电动机的软启动,由于lci的主回路是交-直-交电流型变频器,允许输出侧与公用电网电压先并联再将变频器退出运行,因此在lci软启动的同步并网控制中,当同步检测设备和变频器控制系统配合完成电压同步控制后,即有先封锁变频器输出再合并网断路器的,也有先合并网断路器再封锁变频器输出的,当然,后者在并网时对电网的冲击较小,因变频器和电网共同分担了同步电动机并网运行瞬间的电流。
3 两台独立的交-直-交电压型变频器能否并联运行
从电路原理上讲,在线性电路中,两个电压源允许串联,但不允许并联(同样,两个电流源允许并联,但不允许串联),通用的变频器都是交-直-交电压型变频器,是电压源,因此并联使用后会造成电源短路,直观地讲,就如第一个问题中所述,正在运行中的变频器的输出侧不允许有其他的电压源接入。
当然在非线性电路中也有特例,如在交-直-交电流型变频器或lci电路中,经常为了减少整流电路对电网的谐波,而采用由三绕组裂解变压器供电的两个单向整流桥在输出侧并联,其原因是因为单向整流桥的单向导电性限制了电流只能流向整流电路的负载,两个电压源即使并联也不会造成电源的短路,问题只是两个电压源的负载均衡问题,而这可以通过主从控制,使由电流环控制的两个整流桥采用同一个电流给定信号解决,这种电路的结构如图5所示。
笔者还经常在直流传动中见到另外一种应用,两套直流传动装置并联后驱动一台直流电动机,构成伪12相可逆整流电路,这实际上相当于两个可逆的整流桥在输出侧并联,当然目的也是减少对电网的谐波,同时也通过并联增加了可以传动的电机容量,这种情况下电压源为什么可以并联呢?
原因是在现在使用的直流传动中,采用的都是无环流逻辑电路,在正组整流电路必须完全关断后,反组整流电路才允许导通,实际上任何瞬间只相当于一个单向的整流桥在驱动电机(正组提供正向电流,反组提供反向电流),如果需要改变电流(或转矩方向),两套直流传动装置必须逻辑互锁,在两套直流传动装置的正组都关闭后,才允许反组同时开通(在siemens 的6ra24中,控制输出baf32和控制输入bef60,就实现了这样的互锁逻辑),这样即使两组可逆的整流桥并联,在任何瞬间也相当于两个单向的整流桥并联,不会导致电源短路。
分析到这里,再回过来看图1,在通用交-直-交变频器的逆变侧,由于反向续流二极管的存在,相当于反组的电流通路始终是开通的,因此只要与其他电源并联就会短路,那么能否将反向续流二极管改为受控的igbt,确认正组电流关断后再开通反组呢,理论上可行,但判断零电流信号的死区又限制了变频器的最大输出频率,况且交直交电压型变频器控制的目标是输出电压,不必关心电流的流通方向。
因此,交-直-交电压型通用变频器不可以并联使用。
4 结束语
由于交-直-交电压型变频器不允许在输出侧与其他独立的电压源并联,因此当电压型变频器做为软启动使用时,不允许两路电压先并联然后再将变频器退出运行,也不允许两个独立工作的交-直-交电压型变频器并联使用。