1  引言
隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)在油田集輸系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，電動(dòng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)出現(xiàn)故障越來越受到人們的關(guān)注，尤其在大功率注水、供水、輸送油氣等電機(jī)的變頻控制系統(tǒng)中，變/工頻切換故障對(duì)油田生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的影響，成為一個(gè)亟待解決的問題。
2  電機(jī)變/工頻切換時(shí)存在問題與理論分析
在油田生產(chǎn)系統(tǒng)中，常常采用由一臺(tái)變頻器控制多臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)的方案，通常稱為“1拖N”，“1拖N”的基本工作情況是:首先由變頻器控制“1號(hào)泵”啟動(dòng)運(yùn)行;當(dāng)需求液量增大，變頻器的運(yùn)行頻率已經(jīng)達(dá)到上限頻率(通常等于工頻)時(shí)，則將“１號(hào)泵”切換為工頻運(yùn)行。同時(shí)，變頻器的輸出頻率迅速下降，并切換至“2號(hào)泵”，使“2號(hào)泵”變頻起動(dòng)，以此類推。因此，其切換特點(diǎn)是:在切換瞬間，變頻器的輸出頻率基本上等于工頻。但因?yàn)闇y(cè)量差異，電源頻率的可能波動(dòng)等原因，絕對(duì)相等是很難出現(xiàn)的。
電機(jī)由變頻轉(zhuǎn)工頻狀態(tài)運(yùn)行，切換一般是在變頻器輸出電壓、頻率和電網(wǎng)電壓、頻率大小都相等的情況下進(jìn)行的。表面上看，此時(shí)似乎可以進(jìn)行平滑切換，不會(huì)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生什么沖擊。其實(shí)不然，在變頻轉(zhuǎn)工頻切換瞬間，由于變頻器輸出電壓起始相位具有隨機(jī)性，它和電網(wǎng)電壓相位完全有可能不一致，這將直接導(dǎo)致電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電流具有隨機(jī)性，有時(shí)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電流。在生產(chǎn)中常表現(xiàn)為電機(jī)的過電流，而使空氣開關(guān)跳閘，熔毀熔斷器，交流接觸器燒毀，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電機(jī)設(shè)備。
下面結(jié)合三相異步電機(jī)任意一相的相量圖（圖1）對(duì)切換過程來加以說明。
方法二、在變頻器內(nèi)部集成鎖相環(huán)。鎖相環(huán)路是一種反饋電路，鎖相環(huán)在工作的過程中，當(dāng)輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率相等時(shí)，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住。通過集成鎖相環(huán)，切換時(shí)鎖定變頻器輸出電壓的相位和頻率，保證工頻電源和變頻輸出電源一致，從而方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步切換。
下面引用一利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)變頻轉(zhuǎn)工頻的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)：
電機(jī)型號(hào)為Y315M2-4，功率為160kW。首先變頻器拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，當(dāng)變頻器輸出頻率達(dá)到50HZ時(shí)，利用撥位開關(guān)引入鎖相環(huán)，當(dāng)鎖相環(huán)進(jìn)入鎖定狀態(tài)后，工頻電源和變頻電源相位和頻率很快達(dá)到一致，幾秒內(nèi)能夠迅速消除起始相位偏差。接著PLC發(fā)出指令，執(zhí)行一系列操作，完成電機(jī)的快速切換。現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)做了對(duì)比試驗(yàn)，記錄了切換時(shí)的峰值電流，試驗(yàn)結(jié)果如下表所示：
試驗(yàn)次數(shù) 直接切換 利用鎖相環(huán)切換
峰值電流/A 說明 峰值電流/A 說明
1 >200 燒保險(xiǎn)、跳閘 405 設(shè)備正常
2 >200 設(shè)備正常 390 設(shè)備正常
3 >1500 燒保險(xiǎn)、跳閘 400 設(shè)備正常
4 >2000 燒保險(xiǎn)、跳閘 415 設(shè)備正常
5 >2000 燒保險(xiǎn)、跳閘 410 設(shè)備正常

從現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，直接切換幾乎不能成功，及時(shí)偶爾切換成功，其切換電流也很大。采用鎖相環(huán)后，成功地實(shí)現(xiàn)了大功率電機(jī)變頻轉(zhuǎn)工頻，切換電流穩(wěn)定在400A左右，約為額定電流的1.2倍。
方法三、在變頻轉(zhuǎn)工頻的過程中，引入鑒頻鑒相控制器。鑒頻鑒相控制器是采用單片機(jī)控制的智能相位頻率跟蹤控制器，能準(zhǔn)確跟蹤變頻器輸入輸出的相序、相位和頻率，保證變頻器輸入輸出相序、相位頻率一致時(shí)，對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)從變頻到工頻運(yùn)行的無沖擊切換。
在方法二中的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)中，也同時(shí)進(jìn)行了設(shè)置鑒頻鑒相控制器的對(duì)比試驗(yàn)，轉(zhuǎn)換電流穩(wěn)定在450A左右，約為額定電流的1.5倍，也保證了變頻器、接觸器等設(shè)備的安全運(yùn)行。
結(jié)合編寫過程中收集的資料及部分生產(chǎn)單位的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，對(duì)于70kW及以下電機(jī)，變頻轉(zhuǎn)工頻的切換沖擊雖然存在，但導(dǎo)致生產(chǎn)運(yùn)行故障、安全事故的案例較少；而對(duì)于70kW以上大功率電機(jī)，變/工頻切換過程往往容易出現(xiàn)空開跳閘、接觸器燒毀、電機(jī)過流等現(xiàn)象。