CN101626215B

CN101626215B - 一种异步电动机软起动和就地补偿的方法和装置

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Publication number: CN101626215B
Application number: CN2009100435197A
Authority: CN
Inventors: 王卫安; 黄燕艳; 刘兴民; 马雅青; 谭胜武; 王小方; 沈辉; 段世彦; 张定华; 周方圆
Original assignee: Zhuzhou National Engineering Research Center of Converters Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou National Engineering Research Center of Converters Co Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: CN101626215A

Abstract

一种异步电动机软起动和就地补偿的方法和装置，在异步电动机的控制系统中设置高压晶闸管电子开关，利用高压晶闸管电子开关的开关完成异步电动机的软起动和电动机的就地无功功率补偿投切，实现异步电动机的就地无功功率补偿。至少包括一个检测控制单元和补偿电容器组，在检测控制单元中设置有高压晶闸管电子开关，且晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连；在检测控制单元的协调控制下，利用晶闸管电子开关完成电动机的软起动和电动机就地补偿电容器组的投切。

Description

一种异步电动机软起动和就地补偿的方法和装置

技术领域

本技术发明涉及一种工业电动机的控制设备，特别是一种电动机的软起动和电动机的就地补偿设备。其应用领域为冶金、采矿、建材、石化、给排水等行业的大功率高压电动机需要软起动和需要就地补偿、不频繁起动的场合。特别适用单向旋转的负载，如水泵、风机、压风机、球磨机等场合。

背景技术

电机的起动方式主要有两种，一种是直接起动方式，另一种是降压起动方式。对于直接起动方式，因受到许多限制，主要表现在下列三个方面特征：

(1)起动电流可大到电动机额定电流的4～7倍，部分国产电动机的起动电流实际测量甚至高达8～12倍。如果直接起动较大的电动机，过大的起动电流将造成电网电压显著下降，影响同一电网其它电气设备和电子设备的正常运行，严重时将使部分设备因电压过低而退出运行，甚至使电力线路继电保护装置过流保护动作而跳闸，使线路供电中断。

(2)直接起动会使被拖动的工作机械受到机械性冲击，对于水泵性负载来说，过高的起动转矩对叶片、轴承、拍门等造成软性损伤(机械变形、疲劳性老化)及硬性损伤(裂纹、断裂等)是较为常见的，甚至会因水流对管道的冲击力(及反作用力)过大而产生严重的水锤效应损坏设备。

(3)直接起动要求供电变压器容量较大，而对农田排灌泵站供电的变压器容量往往达不到直接起动对电网容量的要求。

在不允许直接起动的情况下，就要采用降压起动的起动方式，即降低电动机端电压进行起动。降压起动一般有星形/三角形起动、定子电路中串接电阻起动、电抗器起动、自耦变压器降压起动及本发明推荐的软起动等方法。其中：

1)星形/三角形起动器是降压起动器中结构最简单、成本最低的一种，然而它的性能受到限制，主要表现在：

(1)无法控制电流和转矩下降程度，这些值是固定的，为额定值的1/3。

(2)当起动器从星形接法切换到三角形接法时，通常会出现较大的电流和转矩变动。这将引起机械和电气应力，导致经常性故障的发生。

2)自耦变压器式起动器比星形/三角形起动器提供了更多的控制手段，可以通过变压器抽头改变I段起动电压(典型为65％和80％两挡起动分接头)。然而它的电压是分级升高的，所以其性能受如下限制：

(1)电压的阶跃性变化(分级转换时产生)引起较大的电流和转矩变动，同星形/三角形起动器性能限制“2”一样会导致机械、电气经常性故障的发生。

(2)有限的输出电压种类(起动电压分接头数量有限)，限制了理想起动电流的选择。因为自耦变压器式起动器控制是使用较额定电压低的电压级别进行降压起动，它控制的电机参数为电压而非电流，所以当电网电压波动及负载变化(如排灌站水位落差变化)时，起动电流曲线将显著偏离设计理想曲线，从而恶化起动性能，设备在较差的工况下将大大缩短使用寿命，增加维护成本。

3)电阻式起动器也能提供比星形/三角形起动器更好的起动控制。然而它同样有一些性能、使用上的限制，包括：

(1)起动特性很难优化。原因是制造起动器时电阻值是确定的，在使用中很难改变，虽然可以通过转换分接头来进行分级起动，但当级数较多时，势必增加控制系统的复杂性，而制造成本、故障率也将随之大幅度提高，所以一般电阻式起动器均在2～5级间。这样，加在电动机定子绕组上的电压、电流等主要电量参数在分级起动时仍有很大的波动。

(2)频繁起动场合下的起动特性不好。原因是在起动过程中电阻值会随着电阻的温度变化，在停止到再起动过程中需经长时间冷却过程。

(3)负载较大或起动时间较长的场合下的运行特性变坏，原因是电阻值随着电阻器温度的变化而变化。

综上所述，传统的降压起动设备均有诸多性能限制和使用限制，越来越难以适应不断发展的电动机复杂使用场合的起动需要。

近来为了克服传统电机起动的不足提出一种软起动。所谓软起动，就是电动机起动时，从起动开始软起动器给交流异步电动机一个初始电压Ust(Ust一般在10％～80％Ue电机额定电压间自由调整)并在用户设定的起动时间Tst(Tst一般在1～120s范围内自由设定)内将负载电压均匀上升到电动机额定电压Ue，即所谓斜坡电压起动。由于软起动器自身特有的限流功能，起动电流在起动期间均匀上升到起动限制电流维持一定，而不会超过起动限制电流Iq(Iq一般在1.1～5Ie电机额定电流内自由设定)。所以又称恒流起动。这样可将电冲击及机械性冲击减小到最低的程度。但现有的电动机的软起动技术还不成熟，没有真正得到应用。

随着科技水平的发展，对电动机的控制机理和技术指标要求越来越高，传统的降压起动设备已无法满足各行业的需要。近年来，随着软起动设备逐步国产化，将使软起动技术的应用成为今后大型鼠笼型异步电动机起动方式的主流，并将最终取代传统的起动方式。

另一方面，工矿企业消耗的无功功率中，异步电动机约占70％，而异步电动机的功率因数又比校低(一般只有0.85左右)，因此，在工矿企业的异步电动机中一般都采用就地无功功率补偿。就地补偿是在异步电动机附近设置电容器，对异步电动机进行无功功率补偿，这是最有效的补偿方法。其作用：

·可减少供电网、配电变压器、低压配电线路的负荷电流。

·可减少配电线路的导线截面和企业配电变压器的容量。

·可减少企业配变及配电网的功率损耗。

·补偿点的无功经济当量最大，因而降损效果更好。

·可降低电动机的起动电流。

目前，传统的电动机就地无功补偿装置大多采用机械开关投切，但这种用机械开关投切有以下不足：

(1)补偿装置投入时产生很大的涌流，切除时产生过电压，降低开关和补偿设备的使用寿命。

(2)成本高，体积大。

因此很有必要对现有的异步电动机软起动和无功功率补偿方式进行进一步的研究。

发明内容

本发明的目的就是针对现有异步电动机软起动和无功功率补偿方式的不足，提出一种补偿装置投入时涌流小，切除时不会产生过电压，且制作成本低的异步电动机无功功率补偿方式及装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：一种异步电动机软起动和就地无功功率补偿方式，在异步电动机的控制系统中设置高压晶闸管电子开关，利用高压晶闸管电子开关的开关完成异步电动机的软起动和电动机的就地无功功率补偿投切，实现异步电动机的就地无功功率补偿。

根据所述的方法提出的异步电动机软起动和就地无功功率补偿装置为：一种异步电动机软起动和无功功率补偿装置，至少包括一个检测控制单元和补偿电容器组，在检测控制单元中设置有高压晶闸管电子开关，且晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连；在检测控制单元的协调控制下，利用晶闸管电子开关完成电动机的软起动和电动机就地补偿电容器组的投切。所述的晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连是指利用一个三刀双掷开关(或具有类似功能的开关器件)将晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连。所述的检测控制单元包括控制和保护系统，控制和保护系统采用以双CPU为核心的数模混合电路及485通信电路等组成，一片CPU用于电流、电压信号检测和开关信号的处理，并实时发出软起动或补偿投切命令；另一片CPU用于完成高压晶闸管组件的电压同步移相触发信号(用于软起动)或过零触发信号(用于补偿投切)的形成，完成电动机软起动和电动机就地补偿投切的控制功能，以及高压晶闸管组件状态检测和保护。

本发明由于采用了高压晶闸管开关控制电动机软起动和电动机就地补偿投切，充分利用了高压晶闸管电子开关，降低了成本，减小了体积。且可实现电压过零投入，电流过零切除。所以投入时无涌流冲击，切除时无过电压冲击。克服了机械开关投切的缺点。其应用领域为冶金、采矿、建材、石化、给排水等行业的大功率高压电动机需要软起动和需要就地补偿、不频繁起动、单向旋转的场合。特别适合于水泵、风机、压缩机、球磨机等场合。

附图说明

图1为本发明的电动机的软起动/就地补偿主电路原理图；

图2为本发明一个实施例的电动机的软起动/就地补偿第一控制电路原理框图；

图3为本发明一个实施例的电动机的软起动/就地补偿第二控制电路原理框图；

图4为第一CPU工作流程图；

图5为第二CPU工作流程图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

电动机的软起动和电动机的就地补偿装置主电路如图1所示，系统检测控制单元原理框图如图2、3所示，程序流程如图4、5所示。从附图可以看出本发明是一种异步电动机软起动和就地无功功率补偿方式，在异步电动机的控制系统中设置有高压晶闸管电子开关，利用高压晶闸管电子开关的开关完成异步电动机的软起动和电动机的就地无功功率补偿投切，实现异步电动机的就地无功功率补偿。所述的异步电动机的控制系统采取

根据所述的方法提出的异步电动机软起动和就地无功功率补偿装置为：一种异步电动机软起动和无功功率补偿装置，包括一个检测控制单元1和补偿电容器组单元2，检测控制单元1与供电系统7电气连接；在检测控制单元1上设有用于异步电动机的启动控制的晶闸管电子开关3，且晶闸管电子开关3的输出分别与被控异步电动机4和就地补偿电容器组5相连；在检测控制单元1的协调控制下，利用晶闸管电子开关3完成异步电动机的软起动和异步电动机就地补偿电容器组的投切。所述的晶闸管电子开关3的输出分别与被控电动机4和就地补偿电容器组5相连是指利用一个三刀双掷开关6(或具有类似功能的开关器件)将晶闸管电子开关3的输出分别与被控电动机4和就地补偿电容器组5相连。所述的检测控制单元1包括控制和保护系统。所述的控制和保护系统采用以双CPU为核心的数模混合电路及485通信电路，一片CPU用于电流、电压信号检测和开关信号的处理，并实时发出软起动或补偿投切命令；另一片CPU用于完成高压晶闸管组件的电压同步移相触发信号(用于软起动)或过零触发信号(用于补偿投切)的形成，完成异步电动机软起动和异步电动机就地补偿投切的控制功能，以及高压晶闸管组件状态检测和保护。

实施例一

图1给出了一个具体的异步电动机软起动和异步电动机就地补偿投切的主电路示意图。从附图可以看出所述的异步电动机软起动和异步电动机就地补偿投切的主电路由二部分组成。第1部分由高压晶闸管(SCR1～SCRn)反并联组件串联组成的电子开关(串联个数由晶闸管的耐压水平和系统电压定)、电压互感器(TV1、TV2)、电流互感器(TA1、TA2)、旁路接触器(KM)、氧化锌避雷器(F1)等器件组成。第2部分由三刀双掷开关(QS)、电流互感器(TA3、TA4)、高压并联电容器(C)、串联电抗器(L)、氧化锌避雷器(F2)等器件组成。

检测控制单元采用以双CPU为核心的数模混合电路及485通信电路等组成，如图2、图3所示。控制原理框图2由开关量输入/输出电路(数字I/O)、模拟信号调理电路、模数转换电路(A/D)、可编程逻辑控制(CPLD)、中央处理器(CPU1)和保护逻辑组成。控制原理框图2用来完成电压、电流信号的检测和开关信号的处理，实时发出软起动或补偿投切命令；根椐检测得到的电流、电压信号和给定的电流电压整定值进行比较，发出保护命令进行过流、过压保护。

控制原理框图3由中央处理器(CPU2)、电压同步移相触发脉冲信号、过零触发脉冲信号、脉冲形成、发送光纤、脉冲放大、高压晶闸管(SCR)组件的状态检测、光纤接收、485通信接口等环节组成。用来接受控制原理框图2发来的软起动或补偿投切命令，完成高压晶闸管组件的电压同步移相触发脉冲信号(用于软起动)或过零触发脉冲信号(用于补偿投切)的形成，并将触发脉冲信号通过光纤传输给脉冲放大，去触发高压晶闸管(SCR)，完成电动机软起动和电动机就地补偿投切的功能。同时将检测到的高压晶闸管(SCR)组件的状态信号通过光纤反馈回来，经过逻辑判断，发出保护信号，对高压晶闸管(SCR)组件进行保护。

因为采用光纤传输信号，不仅解决了高低压之间的隔离问题，而且，因“光信号”不受电磁干扰，也较好的解决了电磁干扰问题，提高了系统的可靠性。下面将结合图1、图2、图3、图4、图5对本发明的软起动和就地补偿结装置及其工作原理作进一步地详细描述。

软起动：将三刀双掷开关QS掷于2位，按下软起按钮，控制电路(CPU1)接到软起指令，经检查准备就绪(QF合、KM分、QS掷2位、无过流、过压等异常)，就向CPU2发软起命令，CPU2即启动软起动程序，根椐给定的起动条件如起动时间Tq、起动电压Uq、起动电流Iq等形成电压同步移相触发脉冲信号，并将触发脉冲信号通过光纤传输给脉冲放大，去触发高压晶闸管(SCR)，电动机转速将随着电压缓慢的增加而平稳的升至额定转速。完成电动机软起动，将旁路接触器KM闭合，高压晶闸管电子开关即退出工作。控制电路将继縮通过电流、电压互感器(TA1、TA2、TV)对电动机的工作状态进行监控和保护。

就地补偿：当电动机起动完成进入正常运转后，即可投入就地补偿。(参见图1、图2、图3、图4、图5)将三刀双掷开关QS掷于3位，按下补偿投入按钮，控制电路(CPU1)接到补偿投入指令，经检查准备就绪(QF合、KM合、QS掷3位、无过流、过压等异常)，就向CPU2发补偿投入命令，CPU2即启动过零触发程序，形成电压过零触发脉冲信号，并将触发脉冲信号通过光纤传输给脉冲放大，去触发高压晶闸管(SCR)，完成就地补偿电容器组的投入，因为是电压过零投入，所以投入时无涌流冲击。控制电路将继续通过电流、电压互感器(TA3、TA4、TV)对补偿电容器组工作状态进行监控和保护。

软停：先切除就地补偿：按下切除按钮，CPU2收到从CPU1发来的切除命令，即将触发脉冲封锁使晶闸管因电流过零而关断，补偿电容器组退出。因为是电流过零关断，所以切除时无过电压冲击。等待五分钟后将QS掷于2位。

按下软停按钮，CPU2收到从CPU1发来的软停命令，即将移相角α置为0度(晶闸管全导通位置)形成移相过零全导通触发脉冲，随后发出分断KM接触器命令，使KM分断，此时电动机由晶闸管电子开关供给全电压。当控制电路(CPU1)确认KM分断后，CPU2将移相角α由0度(晶闸管全导通位置)按设置的软停时间Tt均匀增加至120度，使输出电压慢慢降低，电动机慢慢停下来。

Claims

1.一种异步电动机软起动和就地无功功率补偿方式，在异步电动机的控制系统中设置高压晶闸管电子开关，利用高压晶闸管电子开关的开关完成异步电动机的软起动和电动机的就地无功功率补偿投切，实现异步电动机的就地无功功率补偿；其特征在于：包括一个检测控制单元和就地补偿电容器组，在检测控制单元中设置有高压晶闸管电子开关，且高压晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连；在检测控制单元的协调控制下，利用高压晶闸管电子开关完成电动机的软起动和电动机就地补偿电容器组的投切。

2.一种异步电动机软起动和无功功率补偿装置，其特征在于：至少包括一个检测控制单元和就地补偿电容器组，在检测控制单元中设置有高压晶闸管电子开关，且高压晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连；在检测控制单元的协调控制下，利用高压晶闸管电子开关完成电动机的软起动和电动机就地补偿电容器组的投切。

3.如权利要求2所述的异步电动机软起动和无功功率补偿装置，其特征在于：所述的高压晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连是指利用一个三刀双掷开关将高压晶闸管电子开关的输出分别与被控电动机和就地补偿电容器组相连。

4.如权利要求2所述的异步电动机软起动和无功功率补偿装置，其特征在于：所述的检测控制单元包括控制和保护系统，控制和保护系统采用以双CPU为核心的数模混合电路及485通信电路组成，一片CPU用于电流、电压信号检测和开关信号的处理，并实时发出软起动或补偿投切命令；另一片CPU用于完成高压晶闸管电子开关的电压同步移相触发信号或过零触发信号的形成，完成电动机软起动和电动机就地补偿投切的控制功能，以及高压晶闸管电子开关状态检测和保护。

5.如权利要求2所述的异步电动机软起动和无功功率补偿装置，其特征在于：所述的检测控制单元包括以双CPU为核心的数模混合电路及485通信电路。

6.如权利要求5所述的异步电动机软起动和无功功率补偿装置，其特征在于：所述的双CPU为核心的数模混合电路及485通信电路包括两个部分，一部分是由开关量输入/输出电路、模拟信号调理电路、模数转换电路、可编程逻辑控制、中央处理器和保护逻辑组成，另一部分由另一中央处理器、电压同步移相触发脉冲信号、过零触发脉冲信号、脉冲形成、发送光纤、脉冲放大、高压晶闸管组件的状态检测、光纤接收、485通信接口组成。