交流異步電動機被廣泛應用于各行各業，在采用變頻調速控制系統中經常需要變頻器和工頻電源進行切換。切換的主要類型為：故障切換和多機系統切換。在很多生產機械運行過程中，電動機是不允許停止運行的，如紡織及化工廠的排風機、鍋爐的鼓風機和引風機等，在變頻器投入運行過程中，一旦變頻器發生故障而跳閘時，電動機必須能夠快速地切換到工頻電源上運行；如多泵供水系統中，常采用一臺變頻器控制多臺水泵的方案，通常稱為1拖N，該系統也需要變頻器到工頻電源的切換。

 

  在切換時，由于電動機脫離電源而轉子又高速旋轉，加之轉子中直流磁場的存在，此時電動機處于同步發電機狀態，若直接切換到工頻電源，會出現很大的沖擊電流，對電網、變頻器及電動機都會產生不良影響，頻繁切換會出現變頻器炸機和燒毀電動機等現象的發生。利用同步切換技術可避免變頻器切換時因工頻電源相位與變頻器的輸出電源相位不一致而產生的巨大沖擊電流，從而在很大程度上提高了切換的可靠性，有效地保護了電動機及變頻器，并避免了對電網的干擾。

 

  2沖擊電流的產生及影響2.1沖擊電流的產生在變頻器輸出電源的頻率和相位與工頻電源的頻率和相位不致時，將異步電動機從變頻器供電切換到工頻電源供電，在此過程中會因定子繞組反電勢和轉子轉差過大產生沖擊電流，該沖擊電流可達額定電流的30倍左右。

 

  定子繞組電動勢引起的沖擊電流。當電動機斷開電源瞬間，高速旋轉的轉子切割轉子繞組產生的直流磁場中的磁力線，加之定子繞組為開路，此時，異步電動機處于同步發電機狀態，隨著轉子轉速的降低，在定子繞組中產生的三相電壓的幅值和頻率也逐漸變小，這時工頻電壓和定子繞組上產生的電壓兩者間的相位必然不同步，并且會隨著斷電時間的增加，相位差會不斷變化。在切換時若兩者處于相同（相位差為0）時，兩電壓相互抵消，不會產生很大的沖擊電流；若兩者處于反相（相位差為180）時，兩電壓將進行疊加，這時會產生很大的沖擊電流，數值達到電動機直接啟動時電流的3倍左右。

 

  當電動機斷開電源瞬間，由于定子開路，定子繞組中儲存的磁場能量無釋放回路，在定子繞組中會產生很大的反電勢，若此時切換到工頻電源上將產生很大的沖擊電流。

 

  轉差過大引起的沖擊電流。在電動機斷開電源后，因大部分電動機帶有負載切換，故電動機的轉速會快速下降，則轉子的實際轉速與同步轉速之間的轉差較大，又因電動機定子繞組中剩磁的存在和轉子電流產生的逐漸衰減的直流磁場，此時轉子繞組切割磁力線而產生的感應電動勢和電流都較大（mcx：di/di，iccdw/di），從而產生沖擊電流。

 

  2.2沖擊電流的影響由于定子繞組中的反電勢和電動機處于同步發電機狀態下產生的電動勢及自成回路的轉子中自感電動勢所產生的沖擊電流，必然對電動機、變頻器及電網等產生影響。

 

  1）對變頻器的影響。變頻器在正常帶載工作時，變頻器中的功率器件流過的電流通過電動機的繞組流通，其能量及電壓主要消耗在電動機繞組上，不會對其產生不利的影響。一旦變頻器突然甩開負荷時，通過功率器件中的電流失去回路，產生極大的d/df，造成功率器件端電壓的急劇升70高，使功率器件承受過大的電流沖擊，會對其造成損害2.此沖擊電流還會對變頻器中續流二極管、濾波電容及變頻器的絕緣造成損害，這勢必大大縮短變頻器的使用壽命3.對電動機的影響。電動機軸上所帶負載不同，影響程度也不同；電動機的容量不同，影響程度亦不同。電動機若帶送、排風機的電動機，因切換時空氣形成的反壓小，延時13s后避開反電勢的影響而切換到工頻電源，不會受到大電流的沖擊，該沖擊電流電動機完全能承受；電動機若帶泵類負載，因會出現“水錘”效應，加之切換時的反電勢和高水壓，將使電動機出現大于額定電流20倍的電流沖擊和巨大的轉矩沖擊，引起電動機損壞。若電動機為老式型號，因電動機效率和功率因數低，銅損和鐵損較大，切換產生的沖擊電流大部分消耗在電動機的損耗上，電動機能承受該沖擊電流；若電動機為新型號，因電動機的效率和功率因數較高、功耗小、體積小、重量輕，切換時產生的沖擊大部分變為轉矩沖擊，因而對電動機損害較大。

 

  對電網的影響。若切換時機較好，該沖擊電流不會對電網產生太大影響；若切換時刻選擇不當輕則使空氣開關跳閘，重則對電網產生干擾并引起電網波動，對供電系統的安全和產品質量會產生不利影響，若大容量電動機影響則更大。

 

  3同步切換的原理分析變頻到工頻的切換原理可用三相異步電動機任意一相繞組的相量加以分析，如所示。異步電動機在正常工作時，主磁通少m以同步轉速。旋轉，在定子繞組中產生的感應電勢為而定子繞組的電勢平衡方程為7從3個基本電路組成，其基本組成如所示。

 

  鑒相器是一個相位比較裝置，用來檢測輸入信號相位ft⑴與反饋信號相位0G）之間的相位差G）。輸出誤差信號Ud是相位差信號0⑴的線性函數，所以鑒相器是一個比例環節。

 

  環路濾波器采用的是無源比例積分濾波器。當環路處于鎖定狀態時，輸出頻率（變頻器的輸出頻率）與輸入頻率（工頻電網電源的頻率）相同，兩者之間只有一穩態相差，當開環增益足夠大時，此相差很小。當輸入信號發生相位或頻率的變化時，通過環路自身的調節，環路輸出信號，即變頻器的輸出頻率和相位會跟蹤輸入信號的變化。若輸入信號有如下情況的波動時，也不會產生很大的相位差。

 

  輸入信號頻率階躍。當輸入信號發生頻率階躍時，此時其拉氏變換根據拉氏變換終值定理：從選取較大時，產生的穩態相位誤差比較小。

 

  輸入信號相位階躍。當輸入信號發生相位階躍時，此時其拉氏變換根據拉氏變換終值定理：從時，同步器能實現系統平穩切換。

 

  控制器1變頻器在100ms內進行同相點“捕捉”，5.5 s時切換到工頻電源。

 

  如上所述在切換瞬間，變頻器的輸出頻率和相位與工頻電壓頻率和相位絕對一致是很難出現的。使用“差頻同相”切換方法的同步器，成功地解決了變頻與工頻的切換問題，并在大量的系統進行了仿真，電動機在同步切換時定子電流波形如所示。電動機在變頻器輸出上限頻率并經確認時間后，在5.4s時切斷變頻器，從中可以看出，采用同步器控制同步切換方式時有較小的電流沖擊，大約是額定電流的2倍。切換到工頻電源0. 2s后，電動機能重新進入新的穩定狀態。

 

  6結論變頻器在控制系統進行變頻到工頻切換時若切換時機選擇不當，切換過程中產生的沖擊電流對電網、變頻器及電動機等設備產生嚴重的沖擊。本文提出用同步器實現變頻到工頻的切換，論述了切換原理及實現方法，并用仿真軟件對切換過程進行仿真。該同步器在某公司的面漆線鼓風系統、鍋爐排風系統、多泵恒壓供水系統等產品中投入使用，運行穩定可靠。實踐表明：用同步器實現變頻到工頻的切換，切換產生的沖擊電流不大于2倍的，有效避免了切換過程過大。