变频与工频切换功能优化探析

1.切换控制的提出

有的用户在采用变频调速拖动系统时，常常提出变频器和工频电源进行切换的要求。切换控制主要有故障切换、程序切换和多泵供水切换3种类型。

（1）故障切换

有些生产机械在运行过程中是不允许停机的，如纺织厂的鼓风机、锅炉的送风机和引风机等。针对这些机械的要求，在变频运行过程中，一旦变频器由于故障而跳闸，必须能够自动地切换为工频运行方式，同时进行声光报警。

（2）程序切换

有的机械根据工艺特点，要求交替进行全速运行和低速运行。从节能的角度出发，全速运行时以切换为工频运行为宜。如在变频器在恒压供水过程中，当频率上升到50Hz，水的压力接近正常值时，变频已失去意义，应切换到工频运行。

（3）多泵供水切换

在多泵供水系统中，为了节省投资，常常采用由一台变频器控制多台水泵的方案。通常称为“1拖X”（由1台变频器控制X台水泵）。在一拖多控制中，变频器要进行较频繁的工频-变频切换工作，以保证正常的供水量和水的压力；在变频供水过程中，若变频器因故障跳闸，为了不间断供水，电动机也要切换到工频运行。因此，变频-工频切换运行是变频供水以及一些工作不能间断的场合采用的一种工作模式。

“1拖X”的工作情况是：首先由变频器控制1号泵运行，当用水量增大，变频器的运行频率已经达到上限频率（通常等于工频）时，如果在确认时间（通常为2～5min）内，水泵始终低于目标压力，则将1号泵切换为工频运行。同时，变频器的输出频率迅速降为0Hz，并切换至2号泵，使2号泵变频起动。

现以“1控2”为例，说明其工作原理，控制接线如图4-10a所示。

图4-10 切换控制的主电路

a）“1控2”主电路 b）“1控1”主电路

首先由1号泵（M1）在变频控制的情况下工作；当水用量增大，1号泵已经到达上限频率而水压仍偏低时，经过短暂延时，确认需要加泵时，将1号泵切换为工频工作；同时变频器的输出频率迅速变为0Hz，然后将2号泵（M2）接至变频器，开始变频运行，供水系统处于“一工一变”运行状态。反之，当用水量减少，水压偏高时，则关闭1号泵，仅由2号泵进行变频运行。

2.切换控制的主电路

（1）主电路的构成（见图4-10b）

各元器件的功能是：QF为进线开关；KM1用于将电源接至变频器的输入端；KM3用于将变频器的输出端接至电动机；KM2用于将工频电源直接接至电动机；FR为热继电器，用于工频运行时的过载保护。由于工频运行时，变频器不可能对电动机的过载进行保护，因此有必要接入热继电器FR，用于工频运行时的过载保护。

（2）切换的动作顺序

切换时，应先断开KM3，使电动机脱离变频器。经适当延时后合上KM2，将电动机接至工频电源。

由于变频器的输出端是不允许与电源相接的，因此，接触器KM3和KM2绝对不允许同时接通，相互间必须有非常可靠的互锁。同时，从KM3断开到KM2闭合之间的延迟时间是必需的，通常称为切换时间，用t_C表示。

（3）切换的注意事项

切换电路如图4-10b所示，首先使KM3断开，然后再将KM2闭合，即可将变频运行切换到工频运行。

在切换过程中，首先变频器要停止输出，KM3才能切换。由于变频器在工作中，电动机定子绕组中有电流，电动机又是一个感性负载，感性负载在通有电流时，要存储磁场能量，电场能量的大小为W＝1／2Li²。如果变频器不停止输出，在切换的瞬间，这个磁场能量要通过KM2的触头释放，因为切换时间很短，将产生很大的瞬时功率，将KM3的触头熔化，并危及变频器的安全。因此，热切换是非常危险的。

当在切换前变频器停止了输出，电动机中电流为零，再切换就安全多了。当变频器停止输出后，电动机水泵因受到水的阻力，转速下降很快，如果切换时间较长，电动机的转速已经下降得较低，在切换到工频电源后将会增加电动机的起动电流。

基于以上分析，在变频-工频切换时，要考虑以下几点：

1）电动机从变频器切出前，变频器必须停止输出，在停止输出后至少延迟0.1s，KM3才能动作，不允许变频器停止输出和KM3同时动作。

2）切换前变频器输出频率要达到50Hz，电动机切换到工频电源时要有一定延时，但其转速不要低于额定转速的80％。KM3断开到KM2闭合的切换延迟时间控制在0.2～0.4s。

3）变频器的输出相序和电动机的相序要相同（在安装调整时可能会使变频器的相序和工频电源的相序不同）。

3.功能参数预置

要实现工频与变频的切换，必须正确地设置相关参数及有关端子功能。

（1）预置操作模式

通过功能预置和选择相应的控制端子，完成切换工作。由于变频器的切换功能只能在外部运行下有效，因此必须对运行模式进行预置，即将Pr.79预置为“2”，使变频器进入外部运行模式。

（2）对切换功能进行预置

Pr.135＝1，变频-工频切换功能有效。(www.xing528.com)

Pr.136＝2，使切换KM3、KM2互锁时间为2s。

Pr.137＝1，使起动等待时间为1s。

Pr.138＝1，使报警时切换功能有效。

Pr.139＝9999，使到达某一频率的自动切换功能无效。

Pr.17，MRS输入选择，切换允许。

Pr.57＝0.5s，变频器再起动自由运行时间。

Pr.58＝0.5s，变频器再起动频率上升时间。

（3）调整部分输入／输出端子的功能（多功能端子）

Pr.180～Pr.186为输入端子功能选择；

Pr.190～Pr.195为输出端子功能选择。

切换控制电路如图4-11所示。

由图4-11可见，变频-工频切换接触器KM1、KM2、KM3是由变频器的3个集电极开路输出端子（IPF、OL、FU）控制的，这3个端子是多功能输出端子，必须重新通过功能设置为接触器切换端子。

变频-工频切换是由端子CS控制的，该端子闭合，变频器运行；断开，工频运行。该端子也要重新设置。

端子R1、S1是变频器供电电源输入端子，不管变频运行还是工频运行，变频器的控制电路都在工作，因此，该端子必须接在KM1之前，当KM1断开时，能保证变频器控制电路的正常供电。

变频器内部已经内置复杂的顺序控制功能，用于变频-工频的切换控制。因此，设置了相关的控制端子和功能参数后，只要输入起动、停止或自动切换选择信号，变频器就能自动地进行切换和实现电磁接触器的互锁。

控制端子设置：

Pr185＝7，设置OH端子用于接收外部热继电器的控制信号。

图4-11 变频-工频切换控制电路

Pr186＝6，设置CS端子为“瞬时掉电再起动控制”，用于变频-工频切换控制。

Pr192＝17，将IPF端子改设为工频切换时控制KM1线圈得电。

Pr193＝18，将OL端子改设为工频切换时控制KM2线圈得电。

Pr194＝19，将FU端子改设为工频切换时控制KM3线圈得电。

在图4-11所示的控制端子中，MRS为切换允许控制，当该端子为ON时，允许切换；为OFF时，不允许切换。STF为运行控制端子，控制变频器运行或停止。OH端子为外部故障输入端子，当电动机过热时由该端子控制变频器跳闸停机。RES为复位端子，当变频器故障排除后由该端子复位。

4.各输入信号对输出的影响

当选择了切换功能有效，即Pr.135＝1后，各输入信号对输出的影响见表4-2。运行操作各端子的闭合情况见表4-3。

表4-2 输入信号功能

注：1.MRS为ON时，CS才能动作。MRS为ON与CS为ON时，SFT才能动作，变频器运行才能进行。

2.如果MRS没有接通，既不能进行工频运行，也不能进行变频运行。

表4-3 运行操作各端子的闭合情况