CN102969958A - 一种mw级笼型异步机启动电路及启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种MW级笼型异步机启动电路及启动方法，启动方法步骤如下：闭合软启动接触器，通过软启动电路对直流母线进行充电；通过网侧变流器调制建立稳定的直流母线电压，控制输入电流为单位功率因数；闭合机侧接触器，机侧变流器以设定电流幅度Ipeak进行恒电流闭环启动，启动频率f初始值为零；当电流频率f达到频率切换点fc时，转变为恒压频比控制控制方式。采用上述方法使得一方面能够有效的减小启动电流，另一方面能够实现启动方式到正常运行方式的平滑切换。

Description

一种MW级笼型异步机启动电路及启动方法

技术领域

本发明涉及一种MW级笼型异步机启动电路及启动方法。 

背景技术

笼型异步电动机的启动一直电动机的启动一直为人们所关注。如普通鼠笼式电动机在全压直接启动时,启动电流达到额定电流的5到7倍,并且引起电网电压急剧下降，使启动转矩减小,造成启动失败,且影响其他用电设备的正常运行。同时,直接启动势必对电动机本身带来很大的冲击力,产生过热,影响使用寿命。电动机容量越大,受影响的程度越深。传统解决办法包括降压启动方式如星-角启动、自耦变压器启动等，虽然减小了启动电流,但是启动转矩也同时减小,在切换瞬间还会产生二次冲击电流。 

对于MW级异步电动机，如果采用降压方式启动，由于内阻很小，启动电流仍然很大，而且启动电流处于不受控状态，对设备危害很大。 

发明内容

本发明的目的是提供一种MW级笼型异步机启动电路及启动方法，用以解决现有MW级笼型异步电机启动电流大、不受控制的问题。 

为实现上述目的，本发明的电路方案是：一种MW级笼型异步电机启动电路，包括网侧变流器、机侧变流器和软启动电路；所述网侧变流器的交流端用于连接电网，网侧变流器的直流端与机侧变流器的直流端连接直流母线（DCBUS1+、DCBUS1-），机侧变流器的交流端用于连接电机定子，所述软启动电路主要由软启动电阻（R11、R12、R13、R14）与整流器（REC1）串联而成；软启动电阻连接在电网与整流器输入端之间，整流器输出端连接所述直流母线；所述软启动电阻与电网之间设有软启动接触器（KM3），所述机侧变流器和电网之间设有机侧接触器（KM1）。 

网侧变流器的的交流侧设有二阶滤波器（Ld1,Lg1,Cg11,Cg12）。电网侧和定子侧均设有避雷器（FV3、FV1）。所述网侧变流器、机侧变流器分别由三相半桥式功率模块构成，功率模块采用IGBT。 

本发明的方法方案是：MW级笼型异步机启动方法其步骤如下： 

1）闭合软启动接触器，通过软启动电路对直流母线进行充电； 

2）网侧接触器闭合，通过变流器网侧调制建立稳定的直流母线电压，控制输入电流为单位功率因数； 

3）闭合机侧接触器，机侧变流器进行恒电流闭环启动，给定电流频率f初始值为零，给定电流幅值为Ipeak； 

4）当反馈电流Isd达到给定电流幅值Ipeak后，给定电流频率f以设定斜率增加，该过程中电流幅值不变，电流频率以设定斜率增加，当电流频率达到频率切换点fc时，转变为恒压频比控制方式。 

步骤4）中控制方式转变时，恒压频比的电压给定初始值采用电流频率达到频率切换点fc时的Vd和Vq。所述网侧变流器和机侧变流器采用SVPWM调制方法。 

针对MW级笼型异步电机，本文提出一种恒流启动方式，启动电流根据空载启动或者带载启动设定不同设定值，首先通过电流闭环控制有效的保证启动电流处于受控状态，使启动过程平滑无冲击；然后设定合适的切换频率使得切换到V/F控制方式很平滑无任何冲击；使得一方面能够有效的减小启动电流，另一方面能够实现启动方式到正常运行方式的平滑切换。 

附图说明

图1为本发明的启动电路图； 

图2为本发明提供的MW级笼型异步机启动流程图； 

图3为本发明提供的MW级笼型异步机恒电流启动波形； 

图4为本发明提供的MW级笼型异步机恒电流控制转VF控制切换波形； 

图5本发明的恒电流闭环控制框图。 

具体实施方式

下面结合附图进行说明。 

启动电路实施例 

如图1，本发明的MW级启动电路，主要由MW级全功率变流器（网侧变流器和机侧变流器两个部分）和软启动电路构成。网侧变流器实现直流母线电压的稳定控制和交流输入电流的单位功率因数控制，机侧变流器与笼型异步机定子相连主要实现MW级异步电机的启动和调速控制。 

网侧变流器主要由3个半桥式功率模块IPM1，IPM2，IPM3构成，Ld1,Lg1,Cg11,Cg12为网侧二阶滤波器；软启动接触器KM3，软启动电阻R11-R14，整流桥REC1，F1-F2组成的软启动电路；DL3为电网端断路器，FV3为避雷装置。机侧变流器主要由3个半桥式功率模块IPM4，IPM5，IPM6构成，还包括交流侧的du/dt电抗器L1，机侧接触器KM1，避雷装置FV1。网侧电抗器Lg1与电网相连，Ld1与网侧变流器交流输出 端相连，Cg11和Cg12连接在Lg1和Ld1之间；网侧变流器直流端与机侧功率模块直流端相连在直流母线DCBUS1+，DCBUS1-上，机侧变流器交流端与du/dt电抗器L1相连，du/dt电抗器L1与电机端定子相连。功率模块采用IGBT。 

启动方法实施例 

依照以上电路，启动方法如下： 

1）闭合软启动接触器KM3，通过软启动电路对直流母线进行充电； 

2）闭合网侧变流器，通过网侧变流器调制建立稳定的直流母线电压，控制输入电流为单位功率因数； 

3）初始电流闭环启动：闭合机侧接触器KM1，机侧变流器进行恒电流闭环启动，给定电流幅度为Ipeak，给定电流频率f初始值为零； 

4）初始电流闭环启动完成后，当电流频率达到频率切换点fc时，转变为恒压频比控制控制方式。 

步骤3）中Ipeak为设定的电流幅度值，取决于笼型异步机的励磁电抗、电网电压和启动转矩的大小。频率切换点fc取决于异步电机的转速正常运行范围，频率切换点fc处于正常运行转速最低点以下。 

对上述方法具体解释如下： 

如图2、图5，首先，网侧变流器首先通过软启动电阻对母线电容进行预充电，防止母线电容冲击电流。然后，网侧接触器合闸，网侧三相桥开始调制，采用电网电压定向的矢量控制方式实现有功无功的解耦控制。一方面实现控制有功保证直流母线电压恒定，另一方面控制无功为零，使得电网侧为单位功率因数。接着，机侧接触器KM1闭合，机侧变流器（如图，为电压型逆变器）启动。 

机侧变流器设定的启动电流幅值为Id_ref，设定电流频率为f_ref为零。 

机侧检测三相定子电流Isa,Isb,Isc,进行3/2变换（三相静止到两相静止）变换公式为： $\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{2}\end{array}\right]$

将电流由三相abc坐标系变换垂直坐标系αβ； 

将3/2变换后的I_α,I_β 进行2s/2r变换（两相静止到两相旋转）变换，变换公式如下： 

$\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中旋转变换角θ的初始值设定为零，旋转频率取决于设定电流频率f_ref；θ=2×π×f_ref×t，为角频率对时间的积分得到旋转变换角；t为时间。旋转变换后得到Id，Iq,求取d轴闭环误差Id_error=Id_ref-Id，对误差值Id_error做PID闭环运算，使得Id_error趋近于零。误差值Id_error通过PID闭环运算得到调制电压d轴分量Vd。同理求取q轴闭环误差Iq_error=0-Iq,Iq_ref恒定为零。对误差值Iq_error做PID闭环运算，使得Iq_error趋近于零同时Iq也趋近于零。误差值Iq_error通过PID闭环运算得到调制电压q轴分量Vq。 

当得到调制电压d轴和q轴分量Vd和Vq后，首先进行2r/2s反旋转变换(两相旋转到两相静止)，变换公式如下： $\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中旋转变换角θ与2s/2r正旋转变换角度相同。2r/2s反旋转变换得到V_α，V_β，通过SVPWM（空间矢量脉宽调制）得到三个桥臂的调制电压，从而达到通过控制定子电压来控制定子电流的目的。初始电流闭环启动完成后，电流频率开始以一定斜率开始递增。电流频率递增速率取决于MW级笼型异步电机的转动惯量。（如果给定电流频率增速过快将导致电机运行进入不稳定区）。当电流频率达到频率切换点fc时，控制方式转变为恒压频比控制（控制模式切换时，恒压频比的电压给定初始值采用电流闭环得到的Vd和Vq，用于防止切换过程中的冲击电流）。恒压频比控制为常规技术，在此不再赘述。 

如图3、图4为恒电流启动波形和恒电流控制转VF控制切换波形。 

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的技术人员阅读本申请后，参照上述实施例对本发明进行种种修改或变更的行为，均在本发明申请待批的权利申请要求保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种MW级笼型异步电机启动电路，其特征在于，包括网侧变流器、机侧变流器和软启动电路；所述网侧变流器的交流端用于连接电网，网侧变流器的直流端与机侧变流器的直流端连接直流母线（DCBUS1+、DCBUS1-），机侧变流器的交流端用于连接电机定子，所述软启动电路主要由软启动电阻（R11、R12、R13、R14）与整流器（REC1）串联而成；软启动电阻连接在电网与整流器输入端之间，整流器输出端连接所述直流母线；所述软启动电阻与电网之间设有软启动接触器（KM3），所述机侧变流器和电网之间设有机侧接触器（KM1）。 

2.根据权利要求1所述的MW级笼型异步电机启动电路，其特征在于，网侧变流器的的交流侧设有二阶滤波器（Ld1,Lg1,Cg11,Cg12）。 

3.根据权利要求2所述的MW级笼型异步电机启动电路，其特征在于，电网侧和定子侧均设有避雷器（FV3、FV1）。 

4.根据权利要求3所述的MW级笼型异步电机启动电路，其特征在于，所述网侧变流器、机侧变流器分别由三相半桥式功率模块构成，功率模块采用IGBT。 

5.一种如权利要求1所述启动电机的MW级笼型异步机启动方法，其特征在于，其步骤如下： 

1）闭合软启动接触器，通过软启动电路对直流母线进行充电； 

2）闭合网侧接触器，通过变流器网侧调制建立稳定的直流母线电压，控制输入电流为单位功率因数； 

3）闭合机侧接触器，机侧变流器进行恒电流闭环启动，给定电流频率f初始值为零，给定电流幅值为Ipeak； 

4）当反馈电流Isd达到给定电流幅值Ipeak后，给定电流频率f以设定斜率增加，该过程中电流幅值不变，电流频率以设定斜率增加，当电流频率达到频率切换点fc时，转变为恒压频比控制方式。 

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤4）中控制方式转变时，恒压频比的电压给定初始值采用电流频率达到频率切换点fc时的Vd和Vq。 

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述网侧变流器和机侧变流器采用SVPWM调制方法。 

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