CN103346708B - 电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，是由分级变频软起动子系统和谐波滤波子系统来同时实现分级变频软起动与谐波滤波的功能，该方法包括分级变频重载软起动与谐波滤波2个步骤；分级变频软起动子系统由第一可变电抗器（5）与第一晶闸管电路（6）构成，谐波滤波子系统由第二可变电抗器（10）、第二晶闸管电路（8）与可调节电容器组（9）构成。本发明在窑磨、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中应用时，可使所述电动机起动过程中的限流和转矩要求得到满足，并在电动机软起动过程中及结束后实现动态谐波滤波，在整体上能够更好地提高高压大功率电动机的起动性能，节能降耗，保持电网电压稳定，便于工程实现。

Description

电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法

技术领域

本发明涉及电动机的分级变频软起动和谐波滤波领域，特别是涉及一种电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，智能控制系统得到了广泛的应用，同时这也给人们提出了很多要求，如电网的波动性、执行机构的智能配套等，其要求都越来越严格。作为重要驱动执行机构的电动机来说，既要为智能控制打下良好基础，又要降低电动机起动时对电网的冲击。所以，电动机的起动环节是人们应该引起高度重视的一部分。

电动机的起动一般有三种方法：直接起动、降压起动以及变频起动。直接起动虽然简单方便，但是在直接起动的时候，起动电流很大(约为5-7倍以上的电动机额定电流)，而且起动转矩又非常低，这对负载以及设备的影响非常的大，因而在控制精度要求高或者高压大功率的场合都不适合选用直接起动的方式。传统的降压起动通常是在保持起动频率不变的前提下逐渐提升电动机端电压直至额定电压的方式来起动电动机，如自耦变压器起动、磁控式软起动等。但是大多数传统的降压起动方式电压调节范围比较小，起动电流冲击比较大，而且起动转矩非常低，无法满足重载起动的要求。

基于此，变频起动由于在起动电动机的过程中，不仅改变了电动机的端电压，还改变了电压的频率，从而使得其起动电流更小、起动转矩非常大，充分弥补了传统的降压起动中的多种不足之处。但是，由于一般的变频器价格比较高，尤其是在高压控制的场合，相对于高压电动机的高压变频器的价格更是非常昂贵，而且变频起动技术的控制方式复杂、可靠性相对比较差，因而并未在实际应用中被广泛的使用。

随着各种电力电子装置的迅速发展与使用，电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生。电力电子装置在电能变换的过程中所产生的谐波若含量过大，不仅会对系统的稳定性与可靠性产生危害，还会造成系统中的用电设备(如电动机、通信设备等)工作不稳定，从而引起设备故障、工作不稳定等影响，严重时将威胁设备及人身的安全。

本申请者先前发明了“一种可变电抗器(200610019026.6)”、“一种电动机的软起动装置(200620096602.2)”、“基于可变电抗器的分级变频重载软起动装置(201020590402.9)”等。其中：专利“一种可变电抗器”主要涉及一种阻抗值可以无级改变的电抗器，主要有一次绕组和二次绕组构成，通过对二次绕组侧施加控制，就可以无极地调节一次绕组上的阻抗值，为实现智能化控制创造了条件。专利“一种电动机的软起动装置”将可变电抗器的一次侧绕组串接在电动机的主回路中，通过晶闸管控制可变电抗器二次侧来间接地调节可变电抗器一次侧绕组上的阻抗，继而调节可变电抗器一次侧绕组上的分压，达到控制电动机端电压的效果，最终实现限制电动机的起动电流的目的。专利“基于可变电抗器的分级变频重载软起动装置”将可变电抗器技术与电动机的分级变频软起动技术相结合，利用可变电抗器和晶闸管电路等元器件来实现电动机的分级变频软起动，但是这种装置在实际应用中不能很好地滤除分级变频过程中产生的谐波，所以其谐波含量比较大，不利于电动机的安全与稳定。

专利“一种电动机的软起动装置”提供了电动机的起动限流的功能，但是并没有很好的解决电动机在起动过程中的转矩值太小的问题，不能实现电动机的重载起动，在实际应用中受到了诸多的限制。而专利“基于可变电抗器的分级变频重载软起动装置”虽然解决了起动限流与大转矩起动的问题，但是对于经过分级变频后的电源没有进行滤波，导致谐波含量较大，这会造成电动机起动不平稳，转矩、电流、电压脉动较大等诸多的不良后果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有的电动机起动方法的不足问题，提供一种电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，该方法综合了分级变频软起动方法和动态谐波滤波方法，实现电动机在起动时起动平稳、起动电流小、起动转矩大，并且有效滤除电源中的主要谐波。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，具体是：

(1)分级变频软起动：

由第一可变电抗器、第一晶闸管电路、控制器、电压电流互感器、智能电能检测模块、接触器KM1和接触器KM2组成的分级变频软起动子系统实现，该系统通过减小电动机的最大起动电流和增大其起动转矩，实现电动机的重载软起动；

(2)谐波滤波：

由第二可变电抗器、第二晶闸管电路、可调节电容器组、控制器、电压电流互感器、智能电能检测模块和接触器KM3组成的谐波滤波子系统实现谐波治理，在电动机的起动过程中根据实际的谐波值，动态调节滤波器的参数，使得滤波器时刻都能保持谐振而达到良好的滤波效果，减少对电网的冲击；分级变频软起动过程结束，电动机进入额定工作状态，谐波滤波子系统进行电网谐波滤波，保持电网压降≤5％。

所述的分级变频软起动子系统实现分级变频软起动的方法可以是：控制器通过接收智能电能检测模块采集的电动机电源信号中的电压、电流和频率值，根据预先设定的算法，通过控制输出脉冲信号，来调节第一晶闸管电路中的晶闸管的通断，改变第一可变电抗器的一次侧回路的电流和频率值，动态调节电动机上的电压的大小和频率，使加在电动机上的电压和频率按设定的恒压频比进行有级的变化，以实现电动机的分级变频软起动。

所述的预先设定的算法可以为：对于分级变频软起动，以实现n级分频为目的，控制器通过控制第一晶闸管电路中的晶闸管的导通周期来达到n级分频的目的，并通过控制第一晶闸管电路中的晶闸管的导通角来调节电压值的大小，以实现恒压频比，最终通过可变电抗器的隔离后实现电动机上的电压的n级分频和控制其大小。

本发明在电动机进行分级变频软起动时，可以通过控制器控制输出到电动机上的电压和频率值，使电动机上的频率值逐渐有级地从f_n增大到f₁，最后达到额定值f₀，其电压值也随频率值的改变按照恒压频比进行改变；加在电动机上的电压波形应连续而不要突变，每一级分频的持续时间要根据不同分频时的频率的大小事先进行分析计算，即将n级分频后的电压分时段进行控制，且时段t_n、t_n-1、……、t₂、t₁的大小由控制器调节。

所述的谐波滤波子系统实现动态调节谐波滤波的方法可以是：智能电能检测模块检测由电压电流互感器发出的电压和电流信号，分析处理得到的电压、电流和谐波传送给控制器，控制器通过计算分析来确定主要谐波的次数以及大小，根据LC无源滤波的原理，计算出滤波器的最佳电容值和电感值，以实现动态谐波滤波。

本发明在进行动态谐波滤波时，其方法可以是：首先，可以通过计算得出最佳的电容器容量，控制接触器KM11～KM1n的闭开来投入可调节电容器组的电容器，调节接入谐波滤波子系统的实际的电容值；然后，在该电容值的基础上，通过控制器计算出最佳的电感值，并控制输出晶闸管触发脉冲信号，来调节第二晶闸管电路中晶闸管的导通角，来调节第二可变电抗器的一次侧的电抗值L的大小，并通过控制可调节电容器组中的各接触器的通断来调节接入系统的电容值C的大小，在谐波频率f下，构成一低阻抗值为的回路，以实现对分级变频软起动过程中的谐波的有效滤除。

本发明提供的上述方法，其在窑磨、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中的应用。

本发明应用时，可以先使所述电动机起动过程中的限流和转矩要求得到满足，并在电动机软起动过程中及结束后实现动态谐波滤波，在整体上提高高压大功率电动机的重载起动性能，节能降耗，保持电网电压稳定。

所述高压大功率电动机的重载起动性能参数为：电动机的最大起动电流值为≤额定值的2倍，起动转矩增大至可使其实现重载起动，有效滤除系统中的主要谐波，使电网压降≤5％。

本发明与现有的电动机起动方式相比较，具有以下优点：

本发明提供的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，集“分级变频软起动与谐波滤波”功能于一体，满足了高压大功率电动机对于起动电流和起动转矩的要求，还在电动机起动时实现谐波滤波，在整体上更好地提高了电动机的起动性能，节能降耗，保持电网电压稳定。具体如下：

(1)分级变频软起动子系统实现电动机的分级变频软起动，减小电动机的最大起动电流和增大其起动转矩，满足电动机的重载软起动，保护了电动机及其拖动设备。

(2)谐波滤波子系统实现谐波治理，在电动机的起动过程中可以根据实际的谐波值，动态调节滤波器的参数，使得滤波器时刻都能保持谐振而达到良好的滤波效果，减少了对电网的冲击，保持电网压降低于5％。

(3)控制器可以实现最佳谐波补偿计算、电动机起动过程中分频区间的最佳划分、起动过程逻辑切换等功能，确保了分级变频与谐波滤波功能的协调工作，使系统工作在最佳状态。

附图说明

图1是本发明一种电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法的原理图。

图中：1.高压隔离开关；2.高压断路器；3.电压电流互感器；4.智能电能检测模块；5.第一可变电抗器；6.第一晶闸管电路；7.控制器；8.第二晶闸管电路；9.可调节电容器组；10.第二可变电抗器。

具体实施方式

本发明是一种集“分级变频软起动与谐波滤波”一体的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法。有国内分级变频软起动、谐波滤波方面的报道，但未见有关集“分级变频软起动与谐波滤波”一体的电动机软起动方法方面的报道。经综合对比分析可知，本发明所提供的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法在国内相关文献中尚未发现相同或类似报道。本发明方法综合了电动机分级变频软起动方式和谐波滤波方式，用分级变频软起动的方式起动电动机，同时对分级变频后的电压产生的谐波进行动态谐波滤波，不仅解决了电动机起动电流过高、起动转矩太小的问题，实现了电动机小电流、大转矩的起动，还滤除了电源中的有害谐波，更好地保护了电动机。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，具体是：

(1)分级变频软起动：由分级变频软起动子系统实现，减小电动机的最大起动电流(约为额定值的2倍)和增大其起动转矩，满足电动机的重载软起动。

具体为：根据分级变频软起动的原理，需要在电动机起动的过程中对加载在电动机上的电源进行n级分频，即在额定频率f₀的基础上将电源频率从小到大分频为f_n、f_n-1、……、f₂、f₁(且f_n<f_n-1<……<f₂<f₁<f₀)。同时，根据恒压频比的控制原理，在控制调节频率大小的同时也要相应地调节其电压的大小，使得每一级分频的压频比的大小为额定值，即：f_n/U_n＝f_n-1/U_n-1＝……＝f₂/U₂＝f₁/U₁＝f₀/U₀(其中f₀、U₀为电动机额定频率和电压)。这些不同等级分频的频率以及电压，可以通过控制器7，控制第一晶闸管电路6中的晶闸管的通断，间接控制第一可变电抗器5的一次侧的电抗值的大小。根据电压的分压原理，最终将n级分频后的各级电源f_n/U_n、f_n-1/U_n-1、……、f₂/U₂、f₁/U₁分时段供给电动机。控制器通过控制每一级分频的电压大小和频率值，以及该级所持续的时间，就可以通过分级变频的方法来起动电动机。

(2)谐波滤波：由谐波滤波子系统实现谐波治理，在电动机的起动过程中可以根据实际的谐波值，动态调节滤波器的参数，使得滤波器时刻都能保持谐振而达到良好的滤波效果，减少了对电网的冲击；分级变频软起动过程结束，电动机进入额定工作状态，谐波滤波子系统进行电网谐波滤波，保持电网压降低于5％。

具体为：控制器7通过分析计算由智能电能检测模块4采集到的电压电流互感器3发出的电能信号，确定系统中的主要谐波的次数和大小，如主要谐波频率为f_x，根据LC无源滤波的原理，控制器7通过合理调节谐波滤波器中的第二可变电抗器10的电感值L和第二可调节电容器组8的电容值C的大小，构成一谐振频率为f_y的低阻抗回路。只要使得f_x＝f_y，即谐振频率等于主要谐波的频率，该频率为f_x的谐波就会通过谐波滤波子系统被其有效地吸收滤除。若系统中的主要谐波频率发生改变，由于第二可变电抗器10的电感值L和第二可调节电容器组8的电容值C可以通过控制器7被实时地、动态地改变，所以只要重新改变电感值L和电容值C的大小，就可以及时重新调节滤波器的谐振频率f_y，使得改变后的谐振频率等于新的变化后的谐波频率，构成低阻抗回路，以有效地吸收谐波。

本发明提供的上述电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，具体是采用包括以下步骤的方法：

1.手动合闸QS(高压隔离开关1)、QF(高压断路器2)，电路中的智能电能检测模块4以及控制器7接入电源后得电，控制器7开始工作；

2.通过控制器7将接触器KM1、KM3闭合，此时第一可变电抗器5的一次侧绕组与电动机通过串联的方式接入电网，分级变频软起动子系统投入运行；第二可变电抗器10的一次侧绕组与可调节电容器组9串联后接入第一可变电抗器5的一次侧绕组的进线端，谐波滤波子系统投入运行；

3.根据预先设定的算法，通过控制器7输出脉冲信号，控制第一晶闸管电路6中的晶闸管的通断，从而实现电动机的分级变频软起动；

4.从电动机进行分级变频软起动开始，控制器7通过分析电路产生的谐波信号，控制接触器KM11～KM1n的闭或开，从而将最佳电容接入电网；同时输出另外的脉冲信号，控制第二晶闸管电路8的晶闸管的通断角，调节第二可变电抗器10的一次侧绕组的最佳电感值，在谐波频率f下，构成一低阻抗回路以吸收谐波；

5.当电动机起动过程结束后，断开接触器KM1，闭合接触器KM2，切除分级变频软起动子系统，分级变频软起动过程结束，电动机进入额定工作状态；同时谐波滤波子系统继续进行电网谐波滤波；

经过上述步骤实现电动机在重载时的平稳起动和谐波治理。

本发明提供的上述电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，可以通过图1所示的一体化装置来实现。该装置由分级变频软起动子系统与谐波滤波子系统组成，其中：分级变频软起动子系统主要由第一可变电抗器5与第一晶闸管电路6构成，谐波滤波子系统主要由第二可变电抗器10、第二晶闸管电路8与可调节电容器组9构成。分级变频软起动子系统与电动机的定子端相连接，谐波滤波子系统连接于第一可变电抗器5的进线端。通过控制器7控制晶闸管的通断，实现电动机的分级变频软起动与谐波滤波的功能，使电动机平稳、安全、有效地起动，并且滤除系统中的大部分谐波。

所述的分级变频软起动子系统还包括控制器7、电压电流互感器3、智能电能检测模块4、接触器KM1和接触器KM2。其中第一可变电抗器5的一次侧绕组与电动机的电源进线端以串联的方式相连接后通过起动接触器KM1、电压电流互感器3、高压断路器2和高压隔离开关1接入电网，第一可变电抗器5的二次侧绕组与第一晶闸管电路6相连接。智能电能检测模块4采集电压电流互感器3发出的信号，通过数据线与控制器7相连，控制器7发出的晶闸管触发脉冲信号通过数据线与第一晶闸管电路相连接。接触器KM2的两端分别连接于接触器KM1的进线端与第一可变电抗器的出线端。

所述的分级变频软起动子系统的工作过程是：控制器7通过接收智能电能检测模块4采集的电动机电源信号中的电压、电流和频率值，根据预先设定的算法，通过控制输出脉冲信号，来调节第一晶闸管电路6中的晶闸管的通断，改变第一可变电抗器5的一次侧回路的电流和频率值，动态调节电动机上的电压的大小和频率，使加在电动机上的电压和频率按设定的恒压频比进行有级的变化，从而实现电动机分级变频软起动的目的，能够实现电动机的小电流、大转矩起动，尤其适合高压大功率电动机的重载起动。在电动机进行分级变频软起动的时候，通过控制器7控制输出到电动机上的电压和频率值，使电动机上的频率值逐渐有级地从f_n增大到f₁，最后达到额定值f₀，其电压值也随频率值的改变按照恒压频比进行改变。加在电动机上的电压波形应连续而不要突变，每一级分频的持续时间要根据不同分频时的频率的大小事先进行分析计算，即将n级分频后的电压分时段进行控制，且t_n、t_n-1、……、t₂、t₁的大小由控制器7调节。

所述的谐波滤波子系统还包括控制器7、电压电流互感器3、智能电能检测模块4以及接触器KM3。其中第二可变电抗器10的一次侧绕组，其一端与可调节电容器组9的非接地端相连接，其另一端通过接触器KM3和KM1与第一可变电抗器5的一次侧绕组的进线端相连接；第二可变电抗器10的二次侧绕组与第二晶闸管电路8相连接，控制器7通过控制第二晶闸管电路8的晶闸管的导通角来调节接入谐波滤波子系统中的电抗值L的大小，并通过控制可调节电容器组9中的各接触器的通断来调节接入谐波滤波子系统的电容值C的大小，在谐波频率f下，构成一低阻抗回路以吸收谐波。多组快速熔断器(FU1,FU2,…FUn)、电容接触器(KM11,KM12,…KM1n)与电容器(C1,C2,…Cn)的串联电路经过并联后形成可调节电容器组9，并联公共端的一端与第二可变电抗器10的一次侧绕组相连接，另一端接地。

所述的谐波滤波子系统的动态调节过程是：智能电能检测模块4检测由电压电流互感器3发出的电压、电流、谐波等电能信号，并传送给控制器7，控制器7通过计算分析来确定主要谐波的次数以及大小，根据LC无源滤波的原理，计算出滤波器的最佳电容值和电感值。其具体方式为：首先，通过计算得出最佳的电容器容量，控制接触器KM11～KM1n的闭开来投入可调节电容器组9的电容器，调节接入谐波滤波子系统的实际的电容值；然后，在该电容值的基础上，通过控制器7计算出最佳的电感值，并控制输出晶闸管触发脉冲信号，来调节第二晶闸管电路8中晶闸管的导通角，来调节第二可变电抗器10的一次侧的电抗值，实现分级变频软起动过程中的谐波的有效滤除。

当电动机分级变频软起动结束后，通过控制器7，控制接触器的投切(断开接触器KM1，同时闭合接触器KM2)，切除分级变频软起动子系统，而谐波滤波子系统继续工作，实现电网的谐波治理。

所述的控制器7采用微处理器为核心元件，配合外围检测、通信、存储、输入\输出等电路，AD/DA转换等装置，可以实现最佳谐波补偿计算、电动机起动过程中分频区间的最佳划分、起动过程逻辑切换、接触器的通断控制、晶闸管触发脉冲的输出等功能，确保了分级变频与谐波滤波功能的协调工作。

Claims (5)

1.一种电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，其特征是：

(1)分级变频软起动：

由第一可变电抗器(5)、第一晶闸管电路(6)、控制器(7)、电压电流互感器(3)、智能电能检测模块(4)、接触器KM1和接触器KM2组成的分级变频软起动子系统实现，该系统通过减小电动机的最大起动电流和增大其起动转矩，电动机的最大起动电流值为≤额定值的2倍，起动转矩增大至实现电动机的重载软起动，

所述的分级变频软起动子系统实现分级变频软起动的方法是：控制器(7)通过接收智能电能检测模块(4)采集的电动机电源信号中的电压、电流和频率值，根据预先设定的算法，通过控制输出脉冲信号，来调节第一晶闸管电路(6)中的晶闸管的通断，改变第一可变电抗器(5)的一次侧回路的电流和频率值，动态调节电动机上的电压的大小和频率，使加在电动机上的电压和频率按设定的恒压频比进行有级的变化，以实现电动机的分级变频软起动，

在电动机进行分级变频软起动时，通过控制器(7)控制输出到电动机上的电压和频率值，使电动机上的频率值逐渐有级地从f_n增大到f₁，最后达到额定值f₀，其电压值也随频率值的改变按照恒压频比进行改变；加在电动机上的电压波形应连续而不要突变，每一级分频的持续时间要根据不同分频时的频率的大小事先进行分析计算，即将n级分频后的电压分时段进行控制，且时段t_n、t_n-1、……、t₂、t₁的大小由控制器(7)调节，

当电动机分级变频软起动结束后，通过控制器(7)，控制接触器的投切即断开接触器KM1、同时闭合接触器KM2，切除分级变频软起动子系统，而谐波滤波子系统继续工作，实现电网的谐波治理；

(2)谐波滤波：

由第二可变电抗器(10)、第二晶闸管电路(8)、可调节电容器组(9)、控制器(7)、电压电流互感器(3)、智能电能检测模块(4)和接触器KM3组成的谐波滤波子系统实现谐波治理，在电动机的起动过程中根据实际的谐波值，动态调节滤波器的参数，使得滤波器时刻都能保持谐振而达到良好的滤波效果，减少对电网的冲击；分级变频软起动过程结束，电动机进入额定工作状态，谐波滤波子系统进行电网谐波滤波，保持电网压降≤5％；

所述的谐波滤波子系统的动态调节过程是：智能电能检测模块(4)检测由电压电流互感器(3)发出的电压、电流、谐波电能信号，并传送给控制器(7)，控制器(7)通过计算分析来确定主要谐波的次数以及大小，根据LC无源滤波的原理，计算出滤波器的最佳电容值和电感值，其具体方式为：首先，通过计算得出最佳的电容器容量，控制接触器KM11～KM1n的闭开来投入可调节电容器组(9)的电容器，调节接入谐波滤波子系统的实际的电容值；然后，在该电容值的基础上，通过控制器(7)计算出最佳的电感值，并控制输出晶闸管触发脉冲信号，来调节第二晶闸管电路(8)中晶闸管的导通角，来调节第二可变电抗器(10)的一次侧的电抗值，实现分级变频软起动过程中的谐波的有效滤除。

2.根据权利要求1所述的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，其特征在于所述的预先设定的算法为：对于分级变频软起动，以实现n级分频为目的，控制器(7)通过控制第一晶闸管电路(6)中的晶闸管的导通周期来达到n级分频的目的，并通过控制第一晶闸管电路(6)中的晶闸管的导通角来调节电压值的大小，以实现恒压频比，最终通过可变电抗器的隔离后实现电动机上的电压的n级分频和控制其大小。

3.根据权利要求1所述的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，其特征在于所述的谐波滤波子系统实现动态调节谐波滤波的方法是：智能电能检测模块(4)检测由电压电流互感器(3)发出的电压和电流信号，分析处理得到的电压、电流和谐波传送给控制器(7)。

4.根据权利要求3所述的电动机分级变频重载软起动与谐波滤波一体化方法，其特征在于在进行动态谐波滤波时：在谐波频率f下，构成一低阻抗值为的回路，以实现对分级变频软起动过程中的谐波的有效滤除。

5.权利要求1至4中任一权利要求所述方法的用途，其特征是在窑磨、煤磨或矿井大型提升设备拖动的电动机中的应用。