CN102412766A - 三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置及控制方法，属于电机及运动控制技术领域。装置包括检测单元、单片机控制单元、驱动控单元、触发单元、接触器、可控硅、主电路其它元件及接线。检测单元与单片机控制单元相连，为单片机采集和处理电气模拟量信号；单片机控制单元输出命令至驱动单元和触发单元，再分别去控制接触器和可控硅；接触器与可控硅开关串联后与电动机三相绕组相连，构成星型连接和角型连接。控制方法是，单片机控制单元通过检测和计算负载率β来判断星接还是角接，进而给触发单元发信号，控制可控硅按照软切换触发控制策略实现星角软切换，能在短时间内抑制星角切换过程中的电流和转矩冲击。

Description

三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于电机及运动控制技术领域，特别是涉及一种三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置及控制方法。

背景技术

三相电动机星角切换是一种简单而易实现的调压节能技术，主要应用在负载经常在轻载和重载之间变化的电动机上。

现有的星角切换装置通常分为二种。一种是传统的星角切换装置，即通过单片机控制接触器的关断和导通实现星角切换。这种装置在进行电动机星角切换时，接触器弧光易造成短路，安全性和可靠性差，并且不能满足快速切换的要求。另外一种用可控硅代替接触器，通过单片机对可控硅的导通和关断实现星角的切换。这种装置在进行电动机星角切换时，采用可控硅三相同时导通的策略，满足了切换快速性的要求，但是电动机定子侧仍会出现很大的冲击电流。冲击电流的产生会造成功率的损耗。应用在需要频繁进行星角切换的负载上时(如游梁式抽油机、传输机、提升机和破碎机等)，频繁的电流冲击所造成的大量功率损耗，将使星角切换节能效率变得很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置及控制方法。采用一种三相电动机绕组星角软切换技术解决上述二种星角切换装置的缺点。采用无触点无电弧可控硅开关，通过系列触发控制实现电动机磁链在三相绕组星接和角接之间的平滑过渡，从而抑制了星角切换过程中的电流和转矩冲击，提高了星角切换节能效率的同时也保证了星角切换的快速性。

本发明的三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置包括检测单元、单片机控制单元、驱动单元、触发单元、接触器、可控硅、主电路其它元件及接线。检测单元与单片机单元相连，为单片机采集和处理电气模拟量信号；单片机控制单元输出命令至驱动单元，再分别去控制接触器和可控硅；接触器与可控硅串联后与电动机三相绕组相连，构成星型连接和角型连接，并控制星接和角接的软切换；主电路其它元件及接线首端连接三相交流电源，接至接触器和可控硅，最后连接电动机绕组，另外还将交流变为直流电源给单片机单元和驱动单元供电。(见附图1)

单片机控制单元：单片机控制单元可采用任何8位以上的通用单片机芯片。单片机控制单元还包括A/D转化单元，将检测单元检测到的电压和电流信号转化成单片机能处理的数字信号。

检测单元：由电压互感器和电流传感器组成，用于实时采集和处理电动机电压和电流信号；

驱动单元：包含由继电器模块和其它功率放大元件，用来驱动接触器线圈控制开关的闭合和关断；

触发单元：包含脉冲发生器件、门电路和其它功率器件，产生触发脉冲用于控制可控硅开关的导通与关断。

接触器：由角接接触器KM1和星接接触器KM2构成。

可控硅：由六对可控硅开关构成，用于角型连接的三对可控硅开关用SCR1表示，用于星型连接的三对可控硅开关用SCR2表示。具体的可控硅开关可以是双向晶闸管、反并联晶闸管、GTO、IGBT、IGCT或其它电力电子元件。

本发明中的接触器KM1和三对可控硅开关SCR1串联，再与电动机绕组形成内角接(也就是说将三对可控硅开关串接于三角形绕组之内)，进而通过对SCR1的系列触发控制实现角接软切换；接触器KM2和可控硅开关SCR2串联，再与电动机绕组形成星接，通过对SCR2的系列触发控制实现星接软切换。

另外在接触器线圈和驱动单元的连接电路中，角接接触器KM1和星接接触器KM2之间是互锁的，从而间接实现了SCR1和SCR2的互锁，避免了由于可控硅的误触发而导致主电路相间短路，提高了装置的安全性和可靠性。

根据上述的可控硅开关SCR1与电动机绕组角型连接连线方式的不同，三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置存在不同的2种拓扑结构，一种是电动机绕组端线U1与W2，V1与U2，W1与V2相连(附图2)，另一种是电动机绕组端线U1与V2，V1与W2，W1与U2相连(附图3)。

三相电动机绕组星角软切换全固态控制方法包括星接软切换控制模式和角接软切换控制模式两种：

1)星接软切换控制模式：在三相电动机的星角切换节能控制过程中，如果三相绕组处于角接运行状态。检测单元检测三相电动机的电流和电压信号，经过AD转换，单片机分析计算电动机负载率β和星角切换临界负载率β_c。如果β＜β_c，单片机控制单元给触发单元发信号，控制可控硅SCR1关断，给驱动单元信号，控制接触器KM1关断，KM2闭合，之后按照星接软切换触发控制策略触发导通可控硅SCR2，使三相电动机由角接向星接进行软切换(称为星接软切换)。星接软切换的触发控制策略如下：

单片机检测到电源线电压U_BC的过零点之后，延时α_Y0角度开始对SCR2实施系列触发控制，使三相按照V2W2-U2V2W2-U2V2-U2V2W2-U2W2-U2V2W2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α₁到α_n，使磁链控制到星接绕组电压(220V)所对应的大小，最终结束于U2V2W2三相完全导通，使电流与转矩都平滑无冲击地过渡到稳态。

2)角接软切换控制模式：在电动机的星角变换节能控制过程中，如果三相绕组处于星接运行状态。检测单元检测三相电动机的电流和电压信号，经过AD转换，单片机分析计算电动机负载率β和星角切换临界负载率β_c。如果β＞β_c，单片机控制单元给触发单元发信号，控制可控硅SCR2关断，给驱动单元信号，控制接触器KM2关断，KM1闭合，之后按照角接软切换触发控制策略触发导通可控硅SCR1，使三相电动机由星接向角接进行软切换(称为角接软切换)。角接软切换的触发控制策略如下：

单片机检测到电源线电压U_BC的过零点之后，延时α_D0角度开始对SCR1实施系列触发控制，使三相按照V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、V1U2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α₁到α_n，使磁链控制到角接绕组电压(380V)所对应的大小，最终结束于U1W2、V1U2、W1V2完全导通，使电流与转矩都平滑无冲击地过渡到稳态。

三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置的2种不同主电路拓扑结构，都可以使用星角软切换控制方法来实现星角切换过程的无冲击，只是在进行星角切换时具体的可控硅触发控制角度不同。只有根据相应的拓扑结构设置正确的触发角度序列，才能达到理想的减小电流冲击的效果。

本发明的有益效果：本发明采用三相电动机绕组软切换技术，利用六对无触点无电弧可控硅开关，通过系列触发控制实现电动机磁链在三相绕组星接和角接之间能够平滑地过渡，从而抑制了星角切换过程中的电流和转矩冲击，提高了星角切换节能效率的同时也保证了星角软切换的快速性。

附图说明

图1为本发明控制装置示意图。

图2为本发明三相电动机星角软切换控制装置的一种全固态控制器主电路图。

图3为本发明三相电动机星角软切换控制装置全固态控制器主电路图的另一种拓扑结构。

图4为本发明控制装置的二次回路电路图。

图5为本发明的控制方法流程图。

具体实施方式

本发明的三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置包括检测单元、单片机控制单元、驱动单元、触发单元、接触器、可控硅、主电路其它元件及接线。检测单元与单片机单元相连，为单片机采集和处理电气模拟量信号；单片机控制单元输出命令至驱动单元和触发单元，再分别去控制接触器和可控硅；接触器与可控硅串联后与电动机三相绕组相连，构成星型连接和角型连接；主电路其它元件及接线首端连接三相交流电源，接至接触器和可控硅，最后连接电动机绕组，另外还将交流变为直流电源给单片机控制单元和驱动单元供电。

下面通过具体实施方式和附图对本发明作进一步详细说明。

参照图1，图1是本发明控制装置示意图。控制装置主电路和电动机相连接，检测单元中电压互感器和电流互感器检测电源侧的电压和电流。电压和电流信号经过调理电路后，被调理为-10V-+10V之间的电压信号。AD转换器将采集的模拟量转换成数字量，传输到单片机。单片机对输入进来的数字信号进行分析计算，判断何时进行星角软切换，进而给触发单元信号。其信号先经过光电隔离，然后通过脉冲生成电路形成触发脉冲，进而控制可控硅开关SCR1和SCR2的导通；而给驱动单元的信号经过光电隔离，通过驱动继电器的线圈来实现接触器KM1和KM2的闭合及关断。

图2是一种采用六对可控硅开关的三相电动机绕组星角软切换全固态控制器的主电路图，三相可控硅开关SCR1和KM1串联，再与电动机三相绕组形成角接。当需要从星接到角接的角接软切换时，先闭合KM1，然后对SCR1实施系列触发控制，角接软切换控制具体步骤如下：单片机检测到电源线电压U_BC的过零点之后，延时α_D0角度开始对SCR1实施系列触发控制，使三相按照V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、V1U2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α₁到α_n，使磁链控制到角接绕组电压(380V)所对应的大小，最终三相完全导通，使电流与转矩都平滑无冲击地过渡到稳态。

当需要从角接到星接的星接软切换时，通过可控硅开关SCR2和KM2与电动机三相绕组串接，形成电动机星接。断开KM1闭合KM2后，对SCR2实施系列触发控制，星接软切换控制具体步骤如下：单片机检测到电源线电压U_BC的过零点之后，延时α_Y0角度开始对SCR2实施系列触发控制，使三相按照V2W2-U2V2W2-U2V2-U2V2W2-U2W2-U2V2W2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α₁到α_n，使磁链控制到星接绕组电压(220V)所对应的大小，最终三相完全导通，使电流与转矩都平滑无冲击地过渡到稳态。

图3为上述三相电动机绕组星角软切换全固态控制器主电路中角接的另一种拓扑结构图。图3中的可控硅开关SCR1与绕组角内接的拓扑结构发生了变化(通过SCR1和KM1使U1与V2，V1与W2，W1与U2相连)，其余部分和图2相同。

图4是本发明装置的的二次回路图。单片机给KM1的驱动电路发出低电平信号，继电器KA1的线圈通电，常开触点KA1-O闭合，KM1线圈闭合，KM1的常闭触点KM1-C断开，此时KM2线圈断电，保证了KM1闭合的同时KM2处于关断状态。同理KM2闭合的同时KM1一定关断。实现了KM1和KM2之间的互锁。由于KM1和SCR1串联而KM2和SCR2串联，因此KM1和KM2之间的互锁也就实现了SCR1和SCR2之间的互锁。从而在三相电动机绕组进行星角软切换时，不会因为可控硅的误触发而导致短路故障的发生。

参照图2连接主电路，三相电动机绕组星角软切换控制方法流程如图5所示，具体实施步骤如下：

步骤1：单片机给驱动电路发出信号，闭合KM1后，使SCR1三相同时导通；电动机进入角接运行工作模式；

步骤2：检测单元检测到电源侧电压和电流信号；

步骤3：AD转换器将电压和电流的模拟信号转化成数字信号；

步骤4：单片机分析计算出电动机负载率β和星角切换临界负载率β_c；

步骤5：如果β＜β_c，进入步骤6，三相电动机进行星接软切换，否则保持角接运行状态；

步骤6：单片机在SCR1过零自然关断后，控制KM1断开；

步骤7：单片机给驱动电路发出信号控制KM2闭合，然后控制SCR2根据星接软切换的系列触发策略触发导通；

步骤8：如果β＞β_c，进入步骤9，三相电动机进行角接软切换，否则保持星接运行状态；

步骤9：单片机在SCR2过零自然关断后，控制KM2断开；

步骤10：单片机给驱动电路发出信号控制KM1闭合，然后控制SCR1根据角接软切换的系列触发策略触发导通；

步骤11：重复4到10的步骤，实现三相电动机绕组星角的频繁软切换。

以上步骤包含了星接软切换和角接软切换两种模式。

对于步骤5中星接软切换和步骤8中角接软切换的实施，是通过单片机控制单元连续地发指令给可控硅的触发单元，控制三对可控硅开关按照二相导通与三相导通交替的方式实施系列触发控制，最后结束于可控硅开关三相同时导通的工作状态。电动机的这种星角软切换控制，实现了对定子磁链进行逐步调整，从而消除了电动机定子侧的冲击电流。下面以星接软切换为例说明对于可控硅具体的系列触发控制策略：

步骤X1：可控硅开关SCR2中BC相晶闸管在U_BC峰值点为基准的延迟角度α₀开始触发；

步骤X2：在B相和C相电流I_B和I_C未过零前，以U_BC峰值点为基准的延迟角度α_1A作为第三相A导通触发角度；

步骤X3：在C相电流过零自然关断后，电动机处于AB导通状态。以U_AB峰值点为基准的延迟角度α_1C作为C相触发角度，使C相导通，电动机重新进入三相导通状态；

步骤X4：在B相电流过零自然关断后，电动机处于CA导通状态。以U_CA峰值点为基准的延迟角度α_1B作为B相触发角度，使B相导通，电动机重新进入三相导通状态；

步骤X5：在下半个周波以U_BC、U_AB和U_CA的负峰值点为基准的触发角α_2A、α_2C和α_2B对A、C和B相可控硅开关进行导通，实现电动机在半个周波内二相导通与三相导通交替状态；

步骤X6：每个半波给定一组新的触发角，重复上述步骤。

步骤X7：设定终止触发角α₆，在3个周波内完成星接的软切换。

上述星角软切换的触发角度α₀～α₆的取值范围是120°到60°。

在星角向角接软切换的时候，按照角接软切换模式对SCR1进行触发控制，触发控制策略和星接软切换的控制策略相同，只是角接软切换在5个周波内完成，且这10个半波触发角度(从α₀到α₁₀)的取值与星接软切换不同，具体的触发角度α₀～α₁₀的取值范围是150°到90°。

通过三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置及控制方法，能快速地实现星角切换，并且很好地消除电动机绕组在星角切换过程中的电流冲击，提高了星角切换节能的效率，可以应用于需要频繁进行星角切换节能的负载电动机。

Claims (8)

1.一种三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置，其特征在于，包括检测单元、单片机控制单元、驱动控单元、触发单元、接触器、可控硅、主电路其它元件及接线；检测单元与单片机单元相连，为单片机采集和处理电气模拟量信号；单片机控制单元输出命令至驱动控制单元，再分别去控制接触器和可控硅；接触器与可控硅开关串联后与电动机三相绕组相连，构成星型连接和角型连接，并控制星接和角接的软切换；主电路其它元件及接线首端连接三相交流电源，接至接触器和可控硅，最后连接电动机绕组，另外还将交流电源变为直流电源给单片机单元和驱动控制单元供电；

检测单元：由电压互感器和电流传感器组成，用于实时采集和处理电动机电压和电流信号；

驱动单元包含由继电器模块和功率放大元件，用来驱动接触器线圈控制开关的吸合和分断；

触发单元包含脉冲发生器件、门电路和功率器件，产生触发脉冲用于控制可控硅开关的导通与关断；

接触器由角接接触器KM1和星接接触器KM2构成；

可控硅由六对可控硅开关构成，用于角型连接的三对可控硅用SCR1表示，用于星型连接的三对可控硅用SCR2表示；

接触器KM1和三对可控硅开关SCR1串联，再与电动机绕组形成内角接，进而通过对SCR1的系列触发控制实现角接软切换；接触器KM2和可控硅开关SCR2串联，再与电动机绕组形成星接，通过对SCR2的系列触发控制实现星接软切换；

在接触器线圈和驱动单元的连接电路中，角接接触器KM1和星接接触器KM2之间是互锁的，从而间接实现了SCR1和SCR2的互锁，避免了由于可控硅的误触发而导致主电路相间短路，提高了装置的安全性和可靠性。

2.根据权利要求1所述的三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置，其特征在于，所述的单片机控制单元采用任何8位以上的通用单片机芯片；单片机控制单元还包括A/D转化单元，将检测单元检测到的电压和电流信号转化成单片机能处理的数字信号。

3.根据权利要求1所述的三相电动机绕组星角软切换全固态控制装置，其特征在于，所述的可控硅开关元件为双向晶闸管、反并联晶闸管、GTO、IGBT或IGCT。

4.一种采用权利要求1所述的装置三相电动机绕组星角软切换全固态控制方法，其特征在于，包括星接软切换控制模式和角接软切换控制模式两种。

5.根据权利要求4所述的三相电动机绕组星角软切换全固态控制方法，其特征在于，所述的星接软切换控制模式：检测单元检测三相电动机的电流和电压信号，经过AD转换，单片机分析计算电动机负载率β和星角切换临界负载率β_c。如果β＜β_c，单片机控制单元给触发单元发信号，控制可控硅SCR1关断，给驱动单元信号，控制接触器KM1关断，KM2闭合，之后按照星接软切换触发控制策略触发导通可控硅SCR2，使三相电动机由角接向星接进行软切换。

6.根据权利要求5所述的三相电动机绕组星角软切换全固态控制方法，其特征在于，所述的星接软切换触发控制策略如下：

单片机检测到电源线电压U_BC的过零点之后，延时α_Y0角度开始对SCR2实施系列触发控制，使三相按照V2W2-U2V2W2-U2V2-U2V2W2-U2W2-U2V2W2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α₁到α_n，使磁链控制到星接绕组电压220V所对应的大小，最终结束于U2V2W2的三相可控硅开关完全导通。

7.根据权利要求4所述的三相电动机绕组星角软切换全固态控制方法，其特征在于，所述的角接软切换控制模式：在电动机的星角变换节能控制过程中，如果三相绕组处于星接运行状态。检测单元检测三相电动机的电流和电压信号，经过AD转换，单片机分析计算电动机负载率β和星角切换临界负载率β_c。如果β＞β_c，单片机控制单元给触发单元发信号，控制可控硅SCR2关断，给驱动单元信号，控制接触器KM2关断，KM1闭合，之后按照角接软切换触发控制策略触发导通可控硅SCR1，使三相电动机由星接向角接进行软切换。

8.根据权利要求7所述的三相电动机绕组星角软切换全固态控制方法，其特征在于，所述的角接软切换触发控制策略如下：

单片机检测到电源线电压U_BC的过零点之后，延时α_D0角度开始对SCR1实施系列触发控制，使三相按照V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、V1U2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α₁到α_n，使磁链控制到角接绕组电压380V所对应的大小，最终结束于U1W2、V1U2、W1V2的三相可控硅开关完全导通。

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