CN102594224A - 异步起动永磁同步电机的软起动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：起动和停机控制电路的输出端、晶闸管驱动电路的输入端分别与微处理器电路的I/O口连接；晶闸管驱动电路的输出端与晶闸管组的驱动输入端连接；三相电源电路的输出端通过电源转换电路与微处理器电路的电源端连接；软起动和直接启动控制电路的输出端与开关电路的控制输入端连接；开关电路的输出端与晶闸管组的驱动输入端连接；三相电源电路的输入端与电网供电系统连接。本发明解决了异步起动永磁同步电机直接起动时，起动电流大，造成对电网和机械设备冲击大的问题，提供了一种降低起动电流，提高永磁同步电机的应用范围的异步起动永磁同步电机的软起动器。

Description

异步起动永磁同步电机的软起动器

技术领域

本发明涉及电机启动技术领域，特别是涉及一种能够对异步起动永磁同步电机起动时电流进行控制，能够自动降低起动电流的软起动电路装置。

背景技术

在工农业生产和日常生活中，三相感应电动机得到了广泛的应用。三相感应电动机的主要特点是：①结构简单、制造方便、价格低廉、运行可靠；②转速与电源频率之间没有严格的固定关系，转速随负载变化，但变化范围不大；③从电网吸收滞后的无功功率，功率因数总是滞后的；④效率和功率因数随负载变化大，轻载时，效率和功率因数低，经济运行范围不宽。 

在1960年到1975年期间，世界上主要国家在设计电动机时，优先考虑降低成本，在满足性能要求的前提下，使有效材料用量最少，效率保持在能满足电动机温升要求的水平上。20世纪70年代出现了两次世界性能源危机，使发达国家认识到节约能源的重要性。美国在20世纪80年代制定了高效电机能效标准，能够达到该标准的电机即为高效电机，用户购买这种高效电机时可得到补贴，补贴数额为每马力10到20美元，正好是高效电机与普通电机的差价。这一政策促进了高效电机的生产和推广，到1990年，在美国销售的中小型电机中，已有20％到30％达到了该能效标准的要求。 　　进入20世纪90年代，环境问题又成为困扰世界经济可持续发展的问题，现代工业的发展依赖于大量的能源消耗，所带来的环境污染降低了人们的生活品质，继续以加大能源消耗为代价发展经济是不可取的，但简单地限制能源的用量也不现实。解决这一问题的主要途径是提高能源利用率。美国国会于1992年10月24日通过的《能源政策法案》（即EPACT）规定：1997年10月24日后只允许生产高效电动机，2002年10月10日后生产更高效的电动机，2007年10月后生产技术上达到极限、经济上可行的最高效率电动机。欧洲的CEMEP-EU协议、加拿大的能源法EEACT、墨西哥的 NOM-016-ENER-2003标准、澳大利亚的MEPS计划等，都对电动机的效率水平进行了严格规定。我国在这方面起步较晚，制定的相当于美国超高效率水平的电动机能效标准在“十一五”期间才逐步实施。       尽管高效电机的制造成本增加，价格有较大幅度提高，但对于长期运行的场合，高效电机能为用户节约更多的电费，且电机发热少、寿命长，使电机在寿命周期内的总成本下降。为此，发达国家的电机生产厂商纷纷推出自己的高效电机。 　　异步起动永磁同步电动机就是一种高效电机，异步起动永磁同步电动机就是在鼠笼式电动机的转子铁心内放置永磁体，依靠笼型转子绕组产生的异步转矩实现起动，正常运转时，由转子永磁磁极与定子绕组产生的旋转磁场相互作用，产生恒定转矩，电动机的转速为同步转速，此时转子笼型绕组不再起作用。与鼠笼式电动机相比，异步起动永磁同步电动机的突出优点是高效率、高功率因数和宽的经济运行范围，且永磁同步电动机的效率随负载变化较小，极具竞争力和应用前景。     目前在鼠笼式异步电动机软起动方面国内外研究技术比较成熟,决大多数采用三组反并联可控硅,利用微处理器结合电流互感器、触发电路、同步信号采集电路、A/D转换电路等控制电路实现电机软起动，并在工农业生产中得到了广泛应用，从70年代开始，利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器开始得到应用，后来美国宇航局的工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，并采用微电脑代替原来的模拟控制电路，逐渐发展成为现在的智能化电动机节能控制器。目前，世界上生产软起动器的公司有许多家，例如：90年代初期，美国Allen-Bradley公司推出的一系列智能控制器（SMC-Smart Motor Controller）；GE公司生产的软起动器的最大功率为850KW，额定电压为500V，额定电流为1.18KA，最大起动电流为5.9KA；欧洲，德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器销售的较好；意大利SIEI公司生产的软起动器的额定电压达到690V，额定电流达到1.6KA。     虽然异步起动永磁同步电动机具有较高的功率因数和效率,又具有异步起动的能力，但在起动过程中会受到诸如异步转矩、发电机制动转矩、磁阻负序转矩等多个转矩的合成作用,使得该种电动机的起动过程同感应电机相比更为复杂，由于异步起动永磁同步电动机具有异步起动能力，但也存在诸如异步电动机起动电流大等问题，会对电网和机械设备造成较大冲击，因此，在很多应用场合限制了该种电机的应用，为了降低起动电流，提高永磁同步电机的应用范围，本发明旨在设计一种价格低廉且适用于异步起动永磁同步电动机的新型软起动控制器。     对于大功率异步起动永磁同步电动机的起动目前主要采用变频调速方法，控制电机起动转速，从而降低起动电流，减小电机起动时对电网和电气设备的冲击。对于中小型异步起动永磁同步电动机采用变频调速虽然可以实现电机软起动，但是目前变频器的价格昂贵。而鼠笼式异步电动机可采用可控硅降压法实现软起动成本较低，这样异步起动永磁同步电动机采用变频器起动与鼠笼式异步电动机采用晶闸管调压实现软起动相比在市场竞争方面没有明显优势。

但是采用晶闸管调压原理，利用电流实时跟踪技术，起动时降低电机工作电压，由于电机工作电压的降低，电机电流也随之降低，而当电机转速接近同步转速时，异步起动永磁同步电机输出转矩由于受合成转矩的影响，电机输出扭矩将下降，这时若电机仍工作在降压状态，会导致由于电机输出扭矩小于负载扭矩而使电机无法继续拖动负载，使电机停机，所以，传统的三相鼠笼式异步电动机的软起动器不能实现异步起动永磁同步电机的软起动，

所以，为了加快高效节能型永磁同步电机的推广应用，必须首先解决利用电流跟踪技术和晶闸管调压方法实现的异步起动永磁同步电动机的软起动问题，这也是最新发展趋势。

发明内容

为了解决现有技术中异步起动永磁同步电机直接起动时，起动电流大，造成对电网和机械设备冲击大的问题，本发明提供了一种能够实时跟踪电机负载电流，当异步起动永磁同步电机工作在降压起动过程中，若检测到负载电流有明显下降趋势时，将电机工作电压迅速提高，以增加电机输出转矩的异步起动永磁同步电机的软起动器。

为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是:

一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：包括起动和停机控制电路、微处理器电路、晶闸管驱动电路、晶闸管组、电流传感器、电源转换电路、软起动和直接启动控制电路、开关电路、三相电源电路和电压转换电路；起动和停机控制电路的输出端与微处理器电路的I/O口连接；晶闸管驱动电路的输入端与微处理器电路的I/O口连接，晶闸管驱动电路的输出端与晶闸管组的驱动输入端连接；电流传感器的一次线圈串联在晶闸管组与电机电源连接线上，电流传感器的二次线圈的输出端通过电压转换电路与微处理器电路的A/D端连接；三相电源电路的输出端通过电源转换电路与微处理器电路的电源端连接；软起动和直接启动控制电路的输出端与开关电路的控制输入端连接；开关电路的输出端与晶闸管组的驱动输入端连接；三相电源电路的输入端与电网供电系统连接。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：还包括键盘电路、数码管显示电路，键盘电路的输出端与微处理器电路的I/O口连接；数码管显示电路的输入端与微处理器电路的I/O口连接。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述晶闸管组采用三组反并联晶闸管，每组反并联晶闸管连接在散热片上，或晶闸管组采用三组MTC模块连接在散热片上。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述电流传感器采用三个独立的穿心式电流互感器，穿心式电流互感器变比可为：20：0.1、25：0.1、100：0.1、200：0.1、300：0.1。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述电源转换电路包括隔离变压器、整流、滤波和稳压电路，将380VAC转换成5VDC。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述开关电路采用交流接触器。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述微处理器电路以采用51系列、AVR系列。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述软起动和直接启动控制电路采用手动两位转换开关。

前述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述晶闸管驱动电路采用MOC3052光耦驱动。

本发明的有益效果是：（1）、采用晶闸管调压原理，利用电流实时跟踪技术解决异步起动永磁同步电机软起动问题；（2）、电流的额定值（10A -1200A）可以任意设定,以满足不同功率电动机软起动要求；（3）、起动电流倍数（1-4.5倍）任意设定以满足不同工况下的要求；（4）、具有断相保护、三相不平衡保护、可控硅故障保护等功能；（5）、起动采用恒流控制，电流变化范围小于10％；（6）、具有直接起动和软起动转换控制功能（手动选择）。 

附图说明

图1为本发明异步起动永磁同步电机的软起动器的电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示，异步起动永磁同步电机的软起动器，包括键盘电路1、数码管显示电路2、起动和停机控制电路3、微处理器电路4、晶闸管驱动电路5、晶闸管组6、电流传感器7、电源转换电路9、软起动和直接启动控制电路10、开关电路11、三相电源电路12和电压转换电路13组成；键盘电路1的输出端与微处理器电路4的I/O口连接；数码管显示电路2的输入端与微处理器电路4的I/O口连接；起动和停机控制电路3的输出端与微处理器电路4的I/O口连接；晶闸管驱动电路5的输入端与微处理器电路4的I/O口连接，晶闸管驱动电路5的输出端与晶闸管组6的驱动输入端连接；电流传感器7的一次线圈串联在晶闸管组6与电机8电源连接线上，电流传感器7的二次线圈的输出端接到电压转换电路13的输入端；电压转换电路13的输出端与微处理器电路4的A/D端连接；电源转换电路9的输入端与三相电源电路12的输出端连接，电源转换电路9的输出端与微处理器电路4的电源端连接；软起动和直接启动控制电路10的输出端与开关电路11的控制输入端连接；开关电路11的输出端与晶闸管组6的驱动输入端连接；三相电源电路12的输入端与电网供电系统连接。

晶闸管组6采用三组反并联晶闸管，每组反并联晶闸管连接在散热片上，或采用三组MTC模块连接在散热片上。

电流传感器7采用三个独立的穿心式电流互感器，穿心式电流互感器变比可为：20：0.1、25：0.1、100：0.1、200：0.1、300：0.1等

电源转换电路9采用隔离变压器、整流、滤波和稳压电路，将380VAC转换成5VDC。

开关电路11采用交流接触器。微处理器电路4可以采用51系列、AVR系列或其他智能芯片。

软起动和直接启动控制电路10采用手动两位转换开关。电机8为异步起动永磁同步电动机。晶闸管驱动电路5采用MOC3052光耦驱动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：包括起动和停机控制电路（3）、微处理器电路（4）、晶闸管驱动电路（5）、晶闸管组（6）、电流传感器（7）、电源转换电路（9）、软起动和直接启动控制电路（10）、开关电路（11）、三相电源电路（12）和电压转换电路（13）；起动和停机控制电路（3）的输出端与微处理器电路（4）的I/O口连接；晶闸管驱动电路（5）的输入端与微处理器电路（4）的I/O口连接，晶闸管驱动电路（5）的输出端与晶闸管组（6）的驱动输入端连接；电流传感器（7）的一次线圈串联在晶闸管组（6）与电机（8）电源连接线上，电流传感器（7）的二次线圈的输出端通过电压转换电路（13）与微处理器电路（4）的A/D端连接；三相电源电路（12）的输出端通过电源转换电路（9）与微处理器电路（4）的电源端连接；软起动和直接启动控制电路（10）的输出端与开关电路（11）的控制输入端连接；开关电路（11）的输出端与晶闸管组（6）的驱动输入端连接；三相电源电路（12）的输入端与电网供电系统连接。

2.根据权利要其1所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：还包括键盘电路（1）、数码管显示电路（2），键盘电路（1）的输出端与微处理器电路（4）的I/O口连接；数码管显示电路（2）的输入端与微处理器电路（4）的I/O口连接。

3.根据权利要其2所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述晶闸管组（6）采用三组反并联晶闸管，每组反并联晶闸管连接在散热片上，或晶闸管组（6）采用三组MTC模块连接在散热片上。

4.根据权利要其3所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述电流传感器（7）采用三个独立的穿心式电流互感器，穿心式电流互感器变比可为：20：0.1、25：0.1、100：0.1、200：0.1、300：0.1。

5.根据权利要其4所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述电源转换电路（9）包括隔离变压器、整流、滤波和稳压电路，将380VAC转换成5VDC。

6.根据权利要其5所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述开关电路（11）采用交流接触器。

7.根据权利要其6所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述微处理器电路（4）以采用51系列、AVR系列。

8.根据权利要其7所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述软起动和直接启动控制电路（10）采用手动两位转换开关。

9.根据权利要其8所述的一种异步起动永磁同步电机的软起动器，其特征在于：所述晶闸管驱动电路（5）采用MOC3052光耦驱动。

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