【正文】 M1開關合)、X5 (KM2開關合)。6個輸出開關量分別為：Y0 (QF0合)、Y1 (KM1合)、Y2 (KM1分)、Y3 (KM2合)、Y4 (KM2分)、Y5 (故障報警)。QF0開關的分閘由外部停止命令直接控制，當起動過程中故障時，Y5也可以用于QF0開關的跳閘。A/D模塊上僅有AIW0(模擬量輸入)、AQW0(模擬量輸出)兩個量。表41可編程控制器輸入輸出端口(DI/0)地址分配表端口地址注釋X0主機啟動X1主機急停X2試驗啟動X3熔斷器開關合閘X4KM1開關合閘X5KM2開關合閘Y0熔斷器合閘Y1KM1合閘Y2KM1分閘Y3KM2合閘Y4KM2分閘Y5故障報警 軟件編程大型電機軟起動裝置軟件部分主要包括模塊自檢、開機判斷、PID運算、超時及故障保護、開關量順序控制等軟件采用模塊化思想編程，程序流程圈如圖46所示。PLC首先進行模塊自撿．若模塊有故障則發(fā)出警告程序不往下執(zhí)行，直接退出，若模塊無誤，則將各變量置初值，等待起動信號。當檢測到起動信號時開始起動過程、并將檢測到的轉(zhuǎn)子電流信號與設定值進行比較，通過PID運算后調(diào)整輸出到觸發(fā)控制板的模擬信號的大小，盡量使實際轉(zhuǎn)子電流與設定值一致。當轉(zhuǎn)子電流大于設定值時，則減小輸出的模擬控制電壓以增大等效的電抗值；當轉(zhuǎn)子電流小于設定值時，則增大輸出的模擬控制電壓以減小等效的電抗值；當轉(zhuǎn)子電流小于或等于設定值時，且等效電抗已減小為0時，則執(zhí)行相關的開關量順序控制，使可調(diào)電抗退出運行，起動過程結(jié)束。為防止采集數(shù)據(jù)的誤差引起PLC輸出調(diào)節(jié)量不準確而導致起動時間過長，可在軟件中設置起動超時保護，即設置一個起動最大時限，到了這個時限后若檢測的轉(zhuǎn)子電流仍大于改定值．PLC將發(fā)信號結(jié)束起動過程，保證電機的正常工作，軟件編制流程如下圖所示：圖46 PLC控制程序流程圖 基于單臺軟起動器對多臺大中型異步電動機的軟起動在實際的生產(chǎn)應用當中，往往需要實現(xiàn)一臺軟啟動器對多臺電動機的起動，所以，用PLC實現(xiàn)“一拖多”就具備了極其實用的意義。軟起動器可設置為軟起動、軟停止，限流起動和智能制動等工作方式，軟起動器特別適用于大容量電動機的起動、停止控制，它實際上是一種很智能的產(chǎn)品。 主回路圖電動機的軟起動和軟停止是一種新型的起動方式。軟起動使電動機輸入電壓從0V開始，按預先設置的方式逐步上升，直到全電壓結(jié)束。電動機的軟停止使電動機從額定轉(zhuǎn)速開始，按預先設置的方式逐步減速，直到停止。軟起動和軟停止依賴于串接在電源和電動機之間的軟起動器，用它控制軟啟動器內(nèi)部晶閘管的導通角。從而控制其輸出電壓或電流，達到有效地控制電動機的起動和停止。ROCKWELL的SMCPLUS軟啟動器標準單元在主電路中的接線如圖10所示。圖10中，在軟起動器的輸入和輸出兩端，并聯(lián)接觸器KMn1(n=4以下同)的常開觸點，在軟起動器輸入和輸出端串聯(lián)接觸器KM和接觸器KMn2的常開觸點。當軟起動時，觸點KM和觸點KMn2閉合，觸點KMn1斷開，起動電流經(jīng)軟起動器流向電動機。軟起動完成后，觸點KMn1閉合，觸點KM和觸點KMn2斷開，軟起動器不工作。工作電流通過KMn1送至電動機。當軟停止時，觸點KM和觸點KMn2閉合，觸點KMn1斷開，實現(xiàn)軟停止，直到電動機停止運行，然后斷開觸點KM和KMn2。該方法大大提高了軟起動器的使用壽命。同時避免了電動機運行時軟起動器產(chǎn)生的高次諧波。因為接觸器通斷時，觸點兩端電壓基本為零，也提高了接觸器的使用壽命。起動、停止的控制過程可由PLC的順序控制完成，并能實現(xiàn)用一臺軟起動器起動多臺電動機。圖47 起動多臺電動機的主回路 軟件的編制 開關變壓器式高壓電機軟起動裝置控制軟件主要包括模塊自檢、電源電壓檢測、開機判斷、運算、各種保護、開關量的順序控制等。程序編制的主導思想是模塊化，流程如圖48所示。圖48 軟件編制流程圖第5章 大中型異步電動機變頻—工頻同步切換研究 交流異步電動機直接起動所產(chǎn)生的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊會給供電系統(tǒng)和拖動系統(tǒng)帶來不利影響，故對于容量較大的異步電動機一般都要采用軟起動方案。常用的方法是降壓軟起動，但由于電動機的起動轉(zhuǎn)矩與所加電壓的平方成正比，所以降壓軟起動只適用于空載或輕載起動的設備。即使如此，在降壓軟起動過程中，由于沒有改變電源頻率，過大的轉(zhuǎn)差率的存在，也不可避免地會出現(xiàn)較大的過電流，對于需重載起動的設備就更顯得無能為力了。這時需要采用變頻軟起動方案，即用變頻器帶動電機從零速開始起動，逐漸升壓升速，直至達到其額定轉(zhuǎn)速。變頻軟起動的優(yōu)點是由于采用電壓/頻率按比例控制方法，所以不會產(chǎn)生過電流；并可提供等于額定轉(zhuǎn)矩的起動力矩，特別適合于需重載或滿載起動的設備[25]。如果變頻器僅僅承擔軟起動的任務，不作調(diào)速運行的話，則在變頻器帶動電機達到額定轉(zhuǎn)速后，就要將電動機切換到工頻電網(wǎng)直接供電運行，變頻器可以再去起動其他的電動機。母管制多泵恒壓供水系統(tǒng)就是一個典型的例子。當水壓過高需要停泵時，為了避免“水錘效應”，也不允許突然切斷水泵電源，而要求逐漸降低轉(zhuǎn)速緩慢停車。這時就要將電動機再切換到變頻器拖動，實現(xiàn)減速停車。這樣就不可避免地要進行電網(wǎng)和變頻器之間的相互切換操作。變頻器的輸出切換問題，目前尚未得到足夠的重視，因而在認識上還存在著一些誤區(qū)：一種看法是將變頻器當作一般的交流電源，或者像軟起動器一樣，因而可以將電動機在變頻器與供電電網(wǎng)之間任意切換；另一種看法則認為由于變頻器自身的設計原理，是不允許變頻器在運行中進行切換的。這兩種看法都不免有失偏頗，所以有關變頻器在拖動系統(tǒng)應用的文章中，碰到變頻器的切換問題時，要么有意回避，不作具體描述；要么一語帶過，用簡單的一句“切換到電網(wǎng)運行”了之，即使有些文章在切換問題上進行了一些探索但是也沒有將這個問題的本質(zhì)揭示出來，給人一種功虧一潰的感覺，下面就試圖從技術(shù)和經(jīng)濟實用的角度出發(fā)，對變頻器輸出切換問題作進一步的分析探討。 變頻器的輸出切換方法分類冷切換：在變頻器停車停電時進行切換，等切換完成后再開機運行。熱切換：在變頻器運行中進行帶電切換。硬切換：電動機在切換時要瞬時停電，因而難免會產(chǎn)生沖擊。軟切換：也叫同步切換，真正的不停電平穩(wěn)切換。冷切換是最安全、最簡單的切換方式，但它只能用于可以間斷工作的負載；對于需連續(xù)工作的負載，只能采用熱切換的方式，詳見下面的討論。 硬切換的危害性及改進辦法 由于硬切換時不可避免地要使電動機瞬時停電，問題也就因此而產(chǎn)生了：1）、由變頻器向電網(wǎng)切換 變頻器拖動電機軟起動，逐漸升速，當變頻器輸出頻率達到50HZ，電壓達到額定電壓，電動機的轉(zhuǎn)速也已達到額定轉(zhuǎn)速時，快速將電動機從變頻器切出，再立即投入電網(wǎng)運行。如果開關的速度快，加上你的運氣好的話，也許不會出現(xiàn)過大的沖擊電流，電動機在承受較小的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊后正常全速運行。但是其先決條件是在切換前必須保證變頻器的輸出與電網(wǎng)電壓同相序，并最好要進行電壓的幅值、頻率及相位跟蹤，使其與電網(wǎng)盡量保持一致，否則將會引起嚴重的后果。另外，為了避免變頻器因為突然甩負荷而使功率器件因承受過大的電流電壓沖擊而損壞，在將電動機從變頻器切離之前，應先封鎖變頻器的輸出。我們知道，當電動機斷開電源后，由于定子開路，定子繞組中儲存的磁場能量要經(jīng)過較長的時間才能衰減完，而轉(zhuǎn)子是短路的，轉(zhuǎn)子電流將按一定的時間常數(shù)衰減，這個電流產(chǎn)生的磁通，因為轉(zhuǎn)子還在旋轉(zhuǎn)，就會在定子繞組中感應出電動勢（反電勢）。感應電勢的頻率和相位是隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化而變化的。當轉(zhuǎn)子電流尚未衰減到零時，若合上電源，會因為電源電壓與定子儲能電勢和轉(zhuǎn)子感應電勢的相位差而產(chǎn)生沖擊電流，若合閘時電源電壓與感應電勢的相位差剛好為180176。時，將會產(chǎn)生比起動電流還要大的沖擊電流，會影響到電網(wǎng)及電動機的壽命。因此電動機在斷開電源后，應該等轉(zhuǎn)子電流充分衰減后再合上電源。轉(zhuǎn)子電流衰減的時間視電動機容量的大小及其所帶負荷的大小而異，一般為1~3秒。由電動機反電勢引起的過電流與電動機起動時因為轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)（S=1）所產(chǎn)生的堵轉(zhuǎn)電流不是一回事，所以在切換時會面臨一種矛盾的選擇：一方面要避開反電勢引起的沖擊電流，一方面又要利用電機的轉(zhuǎn)速，以減小堵轉(zhuǎn)（由轉(zhuǎn)差率S引起的）沖擊電流。因此應當選擇一個最為合適的時間重合閘，才能使切換引起的沖擊電流最小，倒并否非要等轉(zhuǎn)子完全停止后再合閘，因為此時的電流即為全壓靜止起動電流。由此可見，硬切換一定會引起沖擊電流，只是其大小的不同罷了，不可能做到平穩(wěn)切換。為了減小硬切換時引起的沖擊電流，當變頻器的輸出頻率已經(jīng)達到50HZ時，在變頻器及電動機參數(shù)許可的范圍內(nèi)，繼續(xù)加速到55HZ左右時，再將電動機從變頻器切出，電動機進行自由停車運行，同時轉(zhuǎn)子電流逐漸衰減，經(jīng)過1~2秒鐘，轉(zhuǎn)子電流基本已衰減為零，且轉(zhuǎn)速也已下降到額定轉(zhuǎn)速附近時，將電動機投入電網(wǎng)運行，將會有較小的沖擊電流。當然為了避免電動機從變頻器切出時變頻器因甩負荷而引起的過電壓損壞功率器件，在切換前應先封鎖變頻器的輸出。2）、由電網(wǎng)向變頻器切換 到目前為止，還沒有人敢在變頻器運行中將電動機由電網(wǎng)向變頻器切換，因為由以上的分析可知，這無疑是對變頻器作一次破壞性的試驗，過大的沖擊電流將使變頻器跳閘或損壞。如果電動機拖動的負載不允許突然停車的話，或者須由定速運行轉(zhuǎn)為調(diào)速運行時，可以這樣操作：先將電動機由電網(wǎng)切除，自由停車運行，延時1~2秒，避開反電勢的影響，在封鎖輸出的情況下將電機接到變頻器，變頻器跟蹤電動機轉(zhuǎn)速并以跟蹤頻率啟動運行，沖擊將會很小。ABB公司的ACS1000型變頻器就有跟蹤起動功能 同步切換（軟切換） 同步切換就是在不停電的情況下，利用鎖相環(huán)技術(shù)，使變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位均保持與電網(wǎng)電壓一致，然后可進行變頻器與電網(wǎng)之間的相互平穩(wěn)切換[27]。1）、由變頻器向電網(wǎng)切換 同步切換的過程是這樣的：變頻器拖動電機軟起動，平穩(wěn)升頻到接近50HZ，進入鎖相環(huán)路的捕捉范圍，之后在鎖相環(huán)路的作用下，鎖定變頻器輸出電壓的頻率、幅值、相序和相位與工頻電網(wǎng)一致，將電動機與工頻電網(wǎng)之間的接觸器吸合，電網(wǎng)和變頻器同時向電動機供電，然后封鎖變頻器的輸出，并將電機從變頻器切出，電動機即平穩(wěn)地切換到電網(wǎng)運行。由于進行了同步操作，變頻器的輸出參數(shù)與電網(wǎng)參數(shù)保持一致，在接入電網(wǎng)時對變頻器和電動機都不會有什么影響。然后有一段變頻器和電網(wǎng)同時對電動機供電的時間。為了使變頻器能全身而退，應該逐漸減小變頻器的負荷，可以稍稍降低變頻器的輸出電壓幅值，然后封鎖變頻器的輸出，再進行切換操作。2）、由電網(wǎng)向變頻器切換 在由電網(wǎng)向變頻器同步切換之前，變頻器先空載加速到50HZ，啟動鎖相環(huán)路的跟蹤技術(shù)，經(jīng)過一段時間的跟蹤調(diào)整，達到鎖定狀態(tài)后變頻器合閘，然后電網(wǎng)開關跳閘，電動機即平穩(wěn)地由電網(wǎng)切換到變頻器調(diào)速運行。為了盡量減小切換過程中對變頻器的沖擊作用，在鎖定狀態(tài)變頻器合閘之前，應稍稍調(diào)低變頻器輸出電壓的幅值，以免合閘時造成對變頻器過大的沖擊電流。在過渡到由電網(wǎng)和變頻器同時向電動機供電階段，再稍稍調(diào)高變頻器輸出電壓的幅值，逐漸將負荷從電網(wǎng)向變頻器轉(zhuǎn)移，以免在電網(wǎng)開關跳閘時對變頻器造成過大的沖擊。 鎖相控制 圖51 鎖相環(huán)路的基本組成鎖相控制就是利用鎖相環(huán)路（PLL）通過讓變頻電源的頻率和相位自動跟蹤工頻電源的頻率和相位，達到“鎖定”狀態(tài)，從而為同步切換創(chuàng)造條件。鎖相環(huán)路是一個閉環(huán)的相位控制系統(tǒng)，能夠自動地跟蹤輸入信號的頻率和相位，使輸出信號的頻率和相位與輸入信號同步，稱之為“鎖定”。鎖相環(huán)路主要由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LF）和壓控振蒎器（VCO，這里即為變頻器）三個基本部分組成，其構(gòu)成如圖51所示。圖52 同步切換系統(tǒng)框圖 圖52為具有同步切換功能的交流異步電動機循環(huán)軟起動切換控制裝置框圖。用一臺變頻器分時軟起動3臺異步電動機，每一臺電動機軟起動以后，切換到工頻電網(wǎng)定速運行。系統(tǒng)由變頻器、相位信號取樣電路、鎖相控制電路、可編程控制器和切換接觸器等組成。相位信號取樣電路對工頻電源和變頻器輸出電壓實行取樣、隔離和整形處理。鎖相環(huán)路由鎖相控制電路和變頻器組成；鎖相控制電路則由鑒相器和環(huán)路濾波器組成。同步切換控制系統(tǒng)以工頻電源的電壓相位信號 圖52 同步切換系統(tǒng)框圖θ1(t)作為基準信號，變頻器輸出的電壓相位信號θ2(t)作為跟蹤信號。鑒相器比較兩個信號的相位，輸出一個正比于兩個信號相位差的電壓信號ud(t)，經(jīng)濾波器濾波后作為變頻器的輔助頻率給定信號，用以控制變頻器輸出電壓的頻率和相位，達到跟蹤工頻電源頻率和相位的目的。當二者的頻率相等，相位差穩(wěn)定在一個較小的數(shù)值時，稱為鎖定，此時輸出一個切換信號，便可以在PLC的控制下，平穩(wěn)地進行變頻器和工頻電網(wǎng)之間的相互切換了。 變頻器旁路與軟起動器旁路的分析比較 圖53軟起動器控制框圖 由圖53可見，軟起動器的功率器件—可控硅的輸入端也是接到電網(wǎng)的，所以當將電動機由軟起動器切換到電網(wǎng)運行時只是將可控硅短路而已，切換操作對可控硅絲毫沒有影響。而變頻器一般采用交一直—交系統(tǒng)，即使將變頻器整個短路后，變頻器的直流母線還通過整流器由電網(wǎng)供電，逆變器的功率器件仍然要承受直流高壓，這時逆變器的功率器件若導通的話，則會直接與電網(wǎng)短路而造成損壞。另外變頻器的逆變器部分與功率器件反并聯(lián)的快恢復二極管剛好組成了一個反向的三相整流橋，當電動機運行在發(fā)電狀態(tài)時，或者當變頻器輸出端直接接到電網(wǎng)時，則會通過這個整流橋使電流流向直流母線，使直流母線電壓“泵升”，威脅濾波電容器及功率開關器件的安全。所以在變頻器的輸出端切換電動機時，一定要慎之又慎。 由以上的分析可見，變頻器一般不允許在運行中進行負載切換操作。如果要在變頻器輸出側(cè)進行切換的話，應盡量采取冷切換方式：第一步應使變頻器停機，第二步在其輸出側(cè)進行切換，第三步在切換后重新啟動變頻器。利用一臺變頻器對多臺電動機進行循環(huán)軟起動是一種危險的誘惑，因為大部分設計采用硬切換方式，稍有操作不當都會產(chǎn)生不良后果，甚至根本達