CN102820771B - 一种变流器设备软启动装置及软启动方法 - Google Patents

Abstract

一种变流器设备软启动装置及软启动方法，装置包括软启动回路电流检测装置和或电压检测装置，软启动回路包括变压器和低压开关元件，变压器输入端经低压开关元件连接软启动低压电源，变压器输出端与变流器设备连接为变流器直流母线电容充电；电流检测装置连接在变压器的输入端或输出端检测软启动回路电流；电压检测装置设置在变流器设备直流母线上，变压器输出端与机侧IGBT三相桥交流侧连接为直流母线电容充电。方法基于装置实现变流器设备软启动，包括软启动前检测交流电网电压和软启动低压电源电压预判软启动条件、软启动并监测充电电流和直流母线电压状态、判断软启动完成条件及结束软启动。本发明对母线电容冲击小，启动更安全，损耗小、发热低。

Description

一种变流器设备软启动装置及软启动方法

技术领域

本发明涉及一种用于变流器设备实现软启动的装置，还涉及使用该装置实现变流器设备软启动的方法。

背景技术

随着半导体器件性能的进一步提升，变流器设备也得到了更加广泛的应用，在新能源产业和电机的变频调速领域中，变流器已经成为不可或缺的重要设备。

变流器设备启动过程中的冲击问题，是影响系统正常工作、影响变流器使用寿命的重要问题。随着新能源技术的突破，产能的功率等级在不断上升，变流器的功率等级也在相应地上升，在高电压、大电流(通常指690V以上等级的电压，1000A以上等级的电流)的工作条件下，变流器启动过程中的冲击问题变得更加突出，解决好变流器设备的软启动问题，成为变流器发展的关键。

解决变流器设备软启动的方案有多种。如图1所示是常用的软启动方案：直流母线预充电软启动方案，该方案包括一个预充电回路，该预充电回路包括限流电阻和整流桥14，限流电阻包括交流侧电阻9和或直流侧电阻15，整流桥14经交流侧电阻9连接在变流器电网侧IGBT三相桥3的高压开关元件6与电网侧1之间，整流桥14经直流侧电阻15连接在变流器电网侧IGBT三相桥3与直流母线电容5之间。软启动时，高压开关元件6先断开，电网通过预充电回路向直流母线充电。由于该方案在整流桥14的交流侧和或直流侧设置了限流电阻，使充电电流受到限制，充电时直流母线电压缓慢上升。当电压上升到一定值之后，闭合主回路高压开关元件6，断开预充电回路的低压开关元件9，软启动过程结束。

但是，该软启动方案存在如下缺陷：由于预充电回路采用限流电阻对充电电流进行限制，限流电阻损耗大，发热严重，可靠性低，在频繁启动的工作条件下限流电阻容易损坏，大大降低了该软启动系统的工作可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一在于，提供一种变流器设备软启动装置，克服现有直流母线预充电软启动方案存在的可靠性低的缺陷。

本发明要解决的技术问题之二在于，提供一种变流器设备软启动方法，使用上述变流器设备软启动装置实现变流器设备的软启动，克服现有直流母线预充电软启动方案存在的可靠性低的缺陷。

本发明解决其技术问题之一所采用的技术方案是：构造一种变流器设备软启动装置，包括软启动回路，其特征在于，还包括电流检测装置和或电压检测装置；

该软启动回路包括变压器和低压开关元件，该变压器输入端经所述低压开关元件连接软启动低压电源，该变压器输出端与变流器设备连接为变流器直流母线电容充电；

该电流检测装置连接在所述变压器的输入端或输出端以检测所述软启动回路的电流；

该电压检测装置设置在变流器设备的直流母线上以检测直流母线电压；

所述变压器输出端与变流器设备的机侧IGBT三相桥交流侧连接，通过该机侧IGBT三相桥整流为变流器直流母线电容充电。

在本发明的变流器设备软启动装置中，所述软启动回路包括低压熔丝，该低压熔丝串联在所述变压器的输入端。

在本发明的变流器设备软启动装置中，所述电流检测装置为电流霍尔元件或电流互感器，所述电压检测装置为电压霍尔元件、电阻分压检测装置。

本发明解决其技术问题之二所采用的技术方案是：提供一种变流器设备软启动方法，该方法基于如下变流器设备软启动装置实现变流器设备的软启动，该装置包括软启动回路、电流检测装置和或电压检测装置；

该软启动回路包括变压器和低压开关元件，该变压器输入端经所述低压开关元件连接软启动低压电源，该变压器输出端与变流器设备连接为变流器直流母线电容充电；

该电流检测装置连接在所述变压器的输入端或输出端以检测所述软启动回路的电流；

该电压检测装置设置在变流器设备的直流母线上以检测直流母线电压；

其特征在于，包括如下步骤：

S1、检测交流电网电压和软启动低压电源电压，如交流电网电压和软启动低压电源电压正常，进入下一步，否则终止软启动；

S2、闭合低压开关元件，软启动回路为直流母线电容充电；

S3、在软启动过程中，通过电流检测装置监测软启动回路充电电流和或通过电压检测装置监测直流母线电压；当监测到充电电流大于等于正常充电电流峰值的200％或小于等于正常充电电流峰值的50％，或直流母线电压变化速度大于等于正常直流母线电压变化速度的200％或小于等于正常直流母线电压变化速度的50％，终止软启动；

S4、当直流母线电压上升到电压阈值或电压阈值范围，闭合电网侧高压开关元件，接通变流器设备主回路；断开低压开关元件，结束软启动。

在本发明的变流器设备软启动方法中，在步骤S4中，所述电压阈值为设定的期望值。

在本发明的变流器设备软启动方法中，在步骤S4中，所述电压阈值范围由交流电网电压和电压上下允许偏差构成；监测交流电网电压，根据交流电网电压与预设的电压上下允许偏差确定所述电压阈值范围。

在本发明的变流器设备软启动方法中，所述变流器设备软启动装置的变压器输出端与变流器设备的机侧IGBT三相桥交流侧连接，通过该机侧IGBT三相桥整流为变流器直流母线电容充电；或所述变流器设备软启动装置的软启动回路包括软启动三相整流桥，所述变压器输出端连接该软启动三相整流桥的交流侧，该软启动三相整流桥的直流侧连接变流器设备的直流母线，为变流器直流母线电容充电；

在所述步骤S4中，当直流母线电压上升到电压阈值或电压阈值范围后，监测交流电网电压，驱动变流器设备的网侧IGBT三相桥工作在逆变状态，并调制网侧IGBT三相桥的交流侧电压使其与交流电网电压的幅值和相位相同或相近，再闭合电网侧高压开关元件，接通变流器设备主回路；断开低压开关元件，结束软启动。

实施本发明的变流器设备软启动装置及软启动方法，与现有技术比较，其有益效果是：

1.软启动回路采用变压器对变流器设备的直流母线电容进行充电，通过对变压器变比和漏抗的合理设计，能够有效地限制预充电和并网时的冲击电流，减小对母线电容的冲击，达到满意的软启动特性；

2.设置了电压检测装置和电流检测装置，可实时监测软启过程中的充电电流或直流母线电压的异常状态，并迅速终止软启动，使变流器设备的软启动过程更加安全可靠；

3.软启动回路中限流阻抗的阻性成分非常小，损耗很低，有效解决了软启动过程损耗大、发热严重的问题。

附图说明

图1是现有变流器设备软启动装置的结构示意图。

图2是本发明变流器设备软启动装置实施例一的结构示意图。

图3是本发明变流器设备软启动装置实施例二的结构示意图。

图4是本发明变流器设备软启动装置实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

变流器设备软启动装置实施例一

如图2所示，本发明的变流器设备软启动装置包括软启动回路、电压检测装置12和电流检测装置11。其中：

电压检测装置12设置在变流器设备的直流母线上，对变流器设备的直流母线电容5的电压进行检测或监测。根据电压检测装置12的检测原理，电压检测装置12设置在变流器设备的直流母线上可以采用电连接方式或感应方式，实现检测直流母线电压的目的。电压检测装置12可采用包括但不限于霍尔电压传感器、电阻分压检测装置等。

软启动回路包括变压器8和低压开关元件9。变压器8的输入端经低压开关元件9连接软启动低压电源，软启动低压电源可采用市电电源，如400伏市电、380伏市电、220伏市电、110伏市电等，也可采用蓄电池或发电机等低压电源。低压开关元件9可以采用包括但不限于低压断路器、低压接触器等。

电流检测装置11连接在变压器8的输入端(在其他实施例中，电流检测装置11也可连接在变压器8的输出端)，以检测或监测软启动回路的电流。电流检测装置11可采用包括但不限于电流互感器、霍尔电流传感器等。

变压器8的输出端与变流器设备的电网侧IGBT三相桥3的交流侧连接，通过该电网侧IGBT三相桥3整流，为变流器直流母线电容5充电。

由于软启动回路的电流异常与直流母线电容电压异常通常是同时出现的，因此，在其他实施例中，可以只设置电流检测装置11或只设置电压检测装置12，均能够实现本发明目的。

为了提高软启动回路的可靠性，设置低压熔丝10，该低压熔丝10串联在变压器8的输入端(可位于低压开关元件9之前或之后)，在软启动异常同时软启动控制异常情况下，通过熔断低压熔丝10停止软启动。当然，不设置低压熔丝10，不影响本发明目的的实现。

变流器设备软启动装置实施例二

如图3所示，本实施例的变流器设备软启动装置与实施例一基本相同，区别在于，变压器8的输出端与变流器设备的机侧IGBT三相桥4的交流侧连接(机侧IGBT三相桥4通过高压开关元件7与电机2连接)，通过该机侧IGBT三相桥4整流为变流器直流母线电容5充电。

高压开关元件7可以采用包括但不限于高压断路器、高压接触器等。

变流器设备软启动装置实施例三

如图4所示，本实施例的变流器设备软启动装置与实施例一基本相同，区别在于，软启动回路还包括软启动三相整流桥13，变压器8的输出端连接该软启动三相整流桥13的交流侧，该软启动三相整流桥13的直流侧连接变流器设备的直流母线，为变流器直流母线电容5充电。

本发明的变流器设备软启动方法采用上述变流器设备软启动装置实现变流器设备的软启动，包括如下步骤：

第一步，检测交流电网1的电压和软启动低压电源电压(如图2至4中的市电)，如交流电网电压和软启动低压电源电压正常，进入下一步，否则终止软启动。

第二步，闭合低压开关元件9，软启动回路为直流母线电容5充电。

第三步，通过电流检测装置监测软启动回路充电电流和通过电压检测装置监测直流母线电压(在只设置电流检测装置或只设置电压检测装置的软启动装置中，可以对应只监测软启动过程中的充电电流或直流母线电压)；当监测到充电电流大于等于正常充电电流峰值的200％或小于等于正常充电电流峰值的50％，或直流母线电压变化速度大于等于正常直流母线电压变化速度的200％或小于等于正常直流母线电压变化速度的50％，终止软启动；

第四步，当直流母线电压上升到电压阈值或电压阈值范围，闭合电网侧高压开关元件，接通变流器设备主回路。其中，对于具体的变流器设备系统，正常充电电流峰值和正常直流母线电压变化速度是具体确定的。断开低压开关元件9，结束软启动。

上述预设的电压阈值为实现变流器设备软启动的预充电电压期望值，可根据电网电压情况设定。

上述电压阈值范围由交流电网1的电压和软启动的电压上下允许偏差构成。通过监测交流电网电压，根据交流电网电压与预设的电压上下允许偏差确定电压阈值范围。通过判断直流母线电压是否上升到电压阈值范围，控制是否结束软启动。

当变流器设备软启动装置的变压器8的输出端与变流器设备的机侧IGBT三相桥4的交流侧连接，通过该机侧IGBT三相桥4整流为变流器直流母线电容充电(变流器设备软启动装置实施例二)；或变流器设备软启动装置的软启动回路包括软启动三相整流桥13，变压器输出端连接该软启动三相整流桥13的交流侧，该软启动三相整流桥13的直流侧连接变流器设备的直流母线，为变流器直流母线电容充电(变流器设备软启动装置实施例三)时，在上述步骤四中，当直流母线电压上升到电压阈值或电压阈值范围后，监测交流电网1的电压，驱动变流器设备的网侧IGBT三相桥3工作在逆变状态，并调制网侧IGBT三相桥3的交流侧电压使其与交流电网1的电压幅值和电压相位相同或相近，再闭合电网侧高压开关元件，接通变流器设备主回路；断开低压开关元件，结束软启动。这样，可进一步减小对母线电容的冲击。

Claims (6)

1.一种变流器设备软启动装置，包括软启动回路，其特征在于，还包括电流检测装置和/或电压检测装置；

该软启动回路包括变压器和低压开关元件，该变压器输入端经所述低压开关元件连接软启动低压电源，该变压器输出端与变流器设备连接为变流器直流母线电容充电；

该电流检测装置连接在所述变压器的输入端或输出端以检测所述软启动回路的电流；

该电压检测装置设置在变流器设备的直流母线上以检测直流母线电压；

所述变压器输出端与变流器设备的机侧IGBT三相桥交流侧连接，通过该机侧IGBT三相桥整流为变流器直流母线电容充电；

所述软启动回路包括低压熔丝，该低压熔丝串联在所述变压器的输入端。

2.如权利要求1所述的变流器设备软启动装置，其特征在于，所述电流检测装置为电流霍尔元件或电流互感器，所述电压检测装置为电压霍尔元件、电阻分压检测装置。

3.一种变流器设备软启动方法，基于如下变流器设备软启动装置实现变流器设备的软启动，该变流器设备软启动装置包括软启动回路、电流检测装置和/或电压检测装置；

该软启动回路包括变压器和低压开关元件，该变压器输入端经所述低压开关元件连接软启动低压电源，该变压器输出端与变流器设备连接为变流器直流母线电容充电；

该电流检测装置连接在所述变压器的输入端或输出端以检测所述软启动回路的电流；

该电压检测装置设置在变流器设备的直流母线上以检测直流母线电压；

所述变压器输出端与变流器设备的机侧IGBT三相桥交流侧连接，通过该机侧IGBT三相桥整流为变流器直流母线电容充电；

其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、检测交流电网电压和软启动低压电源电压，如交流电网电压和软启动低压电源电压正常，进入下一步，否则终止软启动；

S2、闭合低压开关元件，软启动回路为直流母线电容充电；

S3、在软启动过程中，通过电流检测装置监测软启动回路充电电流和/或通过电压检测装置监测直流母线电压；当监测到充电电流大于等于正常充电电流峰值的200％或小于等于正常充电电流峰值的50％，或直流母线电压变化速度大于等于正常直流母线电压变化速度的200％或小于等于正常直流母线电压变化速度的50％，终止软启动；

S4、当直流母线电压上升到电压阈值或电压阈值范围，闭合电网侧高压开关元件，接通变流器设备主回路；断开低压开关元件，结束软启动。

4.如权利要求3所述的变流器设备软启动方法，其特征在于，在步骤S4中，所述电压阈值为设定的期望值。

5.如权利要求3所述的变流器设备软启动方法，其特征在于，在步骤S4中，所述电压阈值范围由交流电网电压和电压上下允许偏差构成；监测交流电网电压，根据交流电网电压与预设的电压上下允许偏差确定所述电压阈值范围。

6.如权利要求3至5之一所述的变流器设备软启动方法，其特征在于，所述变流器设备软启动装置的变压器输出端与变流器设备的机侧IGBT三相桥交流侧连接，通过该机侧IGBT三相桥整流为变流器直流母线电容充电；或所述变流器设备软启动装置的软启动回路包括软启动三相整流桥，所述变压器输出端连接该软启动三相整流桥的交流侧，该软启动三相整流桥的直流侧连接变流器设备的直流母线，为变流器直流母线电容充电；

在所述步骤S4中，当直流母线电压上升到电压阈值或电压阈值范围后，监测交流电网电压，驱动变流器设备的网侧IGBT三相桥工作在逆变状态，并调制网侧IGBT三相桥的交流侧电压使其与交流电网电压的幅值和相位相同或相近，再闭合电网侧高压开关元件，接通变流器设备主回路；断开低压开关元件，结束软启动。