CN105939133A - 一种连续变频的软起动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续变频的软起动器及其控制方法，属于交流异步电动机起动装置领域。本发明的主要特征为通过采用脉冲宽度调制技术与空间矢量控制算法相结合的方式实现变频与旁路：在工频以下调速时，采用脉宽调制算法实现软起动器的连续变频；电机成功起动并达到工频电网频率时改变调制方式，用空间矢量控制算法实现旁路切换控制，从而实现软起动器在电机起动完成后可以自行退出的功能，以解决变频器应用于软起动器不能旁路的问题，弥补了现有有级变频软起动器不能连续变频的缺点。

Description

一种连续变频的软起动器及其控制方法

【技术领域】

本发明属于交流异步电动机起动装置领域，特别涉及一种连续变频的软起动器及其控制方法。

【背景技术】

交流异步电机具有诸多优点，所以其被广泛应用于工农业生产与国防领域中。但其直接起动时起动电流可达额定电流的5-8倍，甚至更高，这样大的起动电流对电机自身、电网、负载均有不利影响，为了克服起动电流大的弊端我们通常采用降压起动方式起动。

传统的软起动方法，如二十世纪60年代开始使用的星形-三角形转换降压软起动、定子电路串电抗器(或电阻器)降压起动、频敏变阻器软起动、自耦变压器降压软起动、延边三角形起动等方法，由于靠接触器切换电压实施降压起动，虽然可以达到降低电流的目的，但无法从根本上解决起动瞬时的电流尖峰冲击问题，且这些方法在降低起动电流的同时也降低了起动转矩，起动中二次冲击电流会对负载产生转矩冲击；同时由于受电网波动的影响，一旦出现电网电压向下浮动，会引起电机堵转、起动过程接触器带载切换等问题，起动平滑性不好，软起动性能不高。

目前，应用较为广泛的普通三相晶闸管降压软起动器，其结构为每相串接两只反并联的晶闸管，通过依次控制六只晶闸管的触发时刻来实现降压起动，这种软起动只改变了电压的有效值而没有改变电压的频率。该方法存在两个重要缺点：其一，起动转矩小；其二，不能改变定子磁场的转速，起动转差过大，造成电机起动时反转、抖动厉害。

此外，也有用变频器作软起动器的。其采用变频控制的电机传动控制系统具有优良的动态、静态性能，调速范围宽、平滑性好，在起动性能上是可以满足要求的，但存在当电机起动完成后不容易退出的缺点。因此，寻求一种更完善的连续变频软起动器来实现其在软起动方面的应用是十分有必要的。

【发明内容】

本发明的目的在于提出一种不同于普通软起动器和分级变频软起动器的连续变频软起动器及其控制方法，其在保持传统变频器主要电路拓扑结构优良特性的基础上，进一步实现变频软起动器在电机起动完成后可以自行退出的功能，解决原有变频软起动器所存在的难以旁路切换到工频的不足，从而使得其一机多用、不闲置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种连续变频的软起动器，包括三相整流桥、三相逆变桥和微处理器；所述三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，所述三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端分别与电网和电机连接形成主回路；三相逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串联有接触器开关；所述的微处理器与检测模块连接，用于控制三相逆变桥实现软起动器的变频起动。

所述的检测模块连接电网的输出端、直流母线及三相逆变桥的输出端，分别用于检测电网输出端、直流母线及三相逆变桥输出端的电压与电流。

所述三相整流桥的出线端的直流母线上并联有电阻R与电容C相串联的阻容吸收支路。

所述三相逆变桥的开关器件为IGBT管，共构成六个桥臂，其中IGBT管V1与V4、IGBT管V3与V6及IGBT管V5与V2分别构成三组上下桥臂。

所述三相逆变桥的出线端与电机的U、V、W三相之间分别设置有接触器开关K1、K2、K3；电网的A、B、C三相和电机之间设置有接触器开关K4、K5、K6。

一种连续变频的软起动器的控制方法，三相整流桥将三相电网的交流电整流成电压恒定的直流电压，再用三相逆变桥将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电给电机供电；通过检测模块对电网电压进行检测，将检测信号传输至微处理器，经过微处理器的控制算法输出相应的PWM波实现软起动器的变频起动，在工频以下调速时，控制电路采用脉冲宽度调制方式进行变频起动；变频起动的过程中，控制使得频率幅值连续变化，转速平滑提升，满足电机平滑调速的要求；当达到工频时，控制电路采用空间电压矢量控制算法进而控制逆变电路中相应器件的开通与关断，找到电机两相电流的过零点附近进行切换，从而运用接触器开关将电机直接连接至电网，变频软起动器被旁路。

脉冲宽度调制方式是指，通过改变调制波的频率来改变输出的PWM波形的频率，使电机定子磁场频率与转子转速同步提升，相对传统调压软起动器减小转差率，降低起动电流，最终过渡至工频，进而实现变频起动。

在旁路切换的控制过程中，主回路的IGBT管V1与V4、IGBT管V3与V6及IGBT管V5与V2分别构成三组上下桥臂，6个IGBT管中导通的顺序依次为：V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1；当电网B、A相导通时，电机U相电流处于过零点附近，从而使电机U相直接与电网A相相连；当电网C、B相导通时，电机V相电流处于过零点附近，从而使电机V相直接与电网B相相连；当电网A、C相导通时，电机W相电流处于过零点附近，从而使电机W相直接与电网C相相连。

还包括续流控制步骤：在电路运行过程中，负载中的电感产生续流电流，在开关过程中出现的尖峰电压借助电阻R及电容C吸收；当检测到母线两端出现尖峰电压过大时，通过控制三相逆变桥中6个IGBT的开通与关断，使得三个上桥臂开关或三个下桥臂开关同时导通，令三相开关处于零矢量工作状态，此时电机的三个定子端处于短路状态，能量自行释放。

通过以上技术方案，本发明具有以下有益效果：

本发明的软起动器的主电路由三相桥式二极管整流电路部分与逆变电路部分构成。通过电压电流以及相位的检测电路对电网电压进行检测，将检测信号传输至MCU微处理器，经过微处理器的控制算法从而输出相应的PWM波实现软起动器的变频起动，当软起动器输出频率达到工频电网频率时控制逆变电路使电机的三相电压具有与电网电压相同的频率、幅值与相位，使得在变频器旁路时可因此避免对电网和电机产生电流冲击以及避免对电机产生电磁转矩的冲击。使得变频器在电机起动完成后容易退出，解决了变频器应用于软起动器不能旁路的问题，弥补了有级变频软起动器不能连续变频的缺点。运用接触器开关设计将电机直接连接至电网，变频软起动器被旁路，从而实现其不被闲置、一机多用的功能。

进一步，中间的阻容吸收支路是为了解决主回路中可能出现的尖峰电压问题。

上述的一种连续变频的软起动器的控制方法，将三相电网的交流电整流成电压恒定的直流电压，再用逆变器将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电，并通过采用脉冲宽度调制技术与空间矢量算法相结合的方式实现变频与旁路，不仅改善了普通的调压软起动和限流软起动不能变频、转矩不足的缺点，而且可以通过逆变电路部分实现连续变频，变频软起动器在电机成功起动完成后可以自行退出。本发明解决了变频器应用于软起动器不能旁路的问题，弥补了现有有级变频软起动器不能连续变频的缺点。

进一步，当检测到母线两端出现尖峰电压时，通过控制逆变电路中6个IGBT的开通与关断，使得电机的三个定子端处于短路状态，能量自行释放，从而解决续流问题。

【附图说明】

图1是采用本发明方法的连续变频软起动器的控制电路图；

图2是三相电源电压相量图；

图3是电压空间矢量软起动器各个导通区间电压向量图；

图4是电压空间矢量控制下的三相电源波形图。

【具体实施方式】

为了使本发明的工作原理、技术方案更加清楚直观，下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

参照附图1-3，本发明一种连续变频的软起动器，其主电路由全桥整流电路部分与逆变电路部分构成，左半部分为不可控整流桥，将三相电网的交流电整流成电压恒定的直流电压，再用逆变器将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电，中间的阻容吸收支路是为了解决主回路中可能出现的尖峰电压问题。通过电压电流以及相位的检测电路对电网电压进行检测，将检测信号传输至MCU微处理器从而输出相应的PWM波实现软起动器的变频起动；当软起动器输出频率达到工频电网频率时控制逆变电路使电机的三相电压具有与电网电压相同的频率、幅值与相位，使得在变频器旁路时可以因此避免对电网和电机产生电流冲击以及避免对电机产生电磁转矩的冲击。

本发明具体实施方式为，本发明的控制电路由电压、电流、相位检测模块，MCU控制模块以及主电路部分组成。通过电压电流以及相位的检测电路对电网电压进行检测，将检测信号传输至MCU微处理器，经过微处理器的控制算法从而输出相应的PWM波实现软起动器的变频起动，当软起动器输出频率达到工频电网频率时控制逆变电路使电机的三相电压具有与电网电压相同的频率、幅值与相位，使得在变频软起动器旁路时可因此避免对电网和电机产生电流冲击以及避免对电机产生电磁转矩的冲击；其主电路主要由三相整流电路部分与逆变电路部分组成，图1为连续变频软起动器的控制电路图，其为一种交直交变频器的结构拓扑图，工频三相电通过三相桥式二极管整流电路转换为脉动的直流电输出，与整流桥的输出直接相连的是三相逆变电路，其采用IGBT作为开关器件，共构成六个桥臂。其中全控器件V1、V4，V3、V6与V5、V2分别构成三组上下桥臂，，通过控制开关器件的开通与关断以达到利用空间矢量控制算法实现变频软起动器旁路切换到工频的目的。结合图2与图3分析此种连续变频软起动器工作过程中具体的工频切换过程：

本发明的具体工作方式：在工频以下调速时，采用脉冲宽度调制技术进行变频起动；当达到工频时，改变调制方式，用空间矢量控制算法实现变频，以达到便于旁路切换到工频的目的。变频过程采用脉宽调制的方法，电机成功起动达到工频电网频率时改变调制方式，按照现有软起动控制算法通过对电压空间矢量六边形的分析进而控制逆变电路中相应器件的关断，此时因为采用空间矢量控制算法，因此两相电压与电网直接导通的时间较长，为t＝1/(6×50Hz)s，便于我们可以找到电机两相电流的过零点附近进行切换，从而运用接触器开关设计将电机直接连接至电网，变频软起动器被旁路，从而实现其不被闲置、一机多用的功能。具体控制步骤如下：

首先利用脉宽调制算法实现软起动器的变频起动，通过改变调制波的频率来改变输出的PWM波形的频率，即控制变频器的输出频率，使电机定子磁场频率与转子转速同步提升，相对传统调压软起动器减小转差率，降低起动电流，最终过渡至工频，进而实现变频起动。变频起动的过程可以根据具体需求采用恒压频比、矢量控制和直接转矩等控制方法，使得频率幅值连续变化，转速平滑提升，满足电机平滑调速的要求，很好的解决电机起动问题；当电机达到工频时再利用空间电压矢量控制算法实现旁路切换的目的。在此重点分析当电机达到工频时，变频软起动器旁路切换的控制过程：结合图3可知，图1主电路结构中6个IGBT管导通的顺序依次为：

V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1。具体根据图4电压空间矢量控制下的三相电源波形图进行分析，首先从a点开始触发导通V1、V2，U相、W相电流开始增加，然后从b点开始触发导通V2、V3，V相、W相电流也开始增加，接着从c点开始触发导通V3、V4，此时U相电流处于过零点附近，所以闭合K4并断开K1从而使电机U相直接与电网A相相连，V相、A相电流开始增加；U相旁路后对应的V1、V4不再触发，继续从d点开始触发导通V5，W相、A相电流增加，接着从e点开始触发导通V5、V6，此时V相电流处于过零点附近，所以闭合K5并断开K2从而使电机V相直接与电网B相相连，W相、B相电流开始增加；V相旁路后对应的V3、V6不再触发，继续从f点开始触发导通A、B相，A相、B相电流增加，接着从g点开始触发V2，此时W相电流处于过零点附近，所以闭合K6并断开K3从而使电机W相直接与电网C相相连。至此，三相电压从变频软起动器完成旁路切换过程，从而实现软起动器在电机起动完成后可以自行退出的功能，以解决变频器应用于软起动器不能旁路的问题，弥补了现有有级变频软起动器不能连续变频的缺点。

在电路运行过程中，负载中的电感会有续流电流产生。其具体解决措施如下：如图1连续变频软起动器的控制电路图所示，图中的电阻R、电容C吸收支路是为了解决主回路开关过程中可能出现的尖峰电压问题；而在电动机起动加速过程中有时不可避免的会产生电机抖动或者一些其他原因引起转速的突然变化，导致出现能量回馈现象，从而发生短时间的续流状态，此时电阻R、电容C器件无法吸收如此大的尖峰电压，就需要采用插入零电压矢量的方法来进行控制：当检测到母线两端出现尖峰电压时，通过控制逆变电路中6个IGBT的开通与关断，使得三个上桥臂开关或三个下桥臂开关同时导通，令三相开关处于零矢量工作状态，此时电机的三个定子端处于短路状态，能量自行释放，从而解决续流问题。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种连续变频的软起动器，其特征在于，包括三相整流桥、三相逆变桥和微处理器；所述三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，所述三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端分别与电网和电机连接形成主回路；三相逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串联有接触器开关；所述的微处理器与检测模块连接，用于控制三相逆变桥实现软起动器的变频起动。

2.根据权利要求1所述的一种连续变频的软起动器，其特征在于，所述的检测模块连接电网的输出端、直流母线及三相逆变桥的输出端，分别用于检测电网输出端、直流母线及三相逆变桥输出端的电压与电流。

3.根据权利要求1所述的一种连续变频的软起动器，其特征在于，所述三相整流桥的出线端的直流母线上并联有电阻R与电容C相串联的阻容吸收支路。

4.根据权利要求1所述的一种连续变频的软起动器，其特征在于，所述三相逆变桥的开关器件为IGBT管，共构成六个桥臂，其中IGBT管V1与V4、IGBT管V3与V6及IGBT管V5与V2分别构成三组上下桥臂。

5.根据权利要求1所述的一种连续变频的软起动器，其特征在于，所述三相逆变桥的出线端与电机的U、V、W三相之间分别设置有接触器开关K1、K2、K3；电网的A、B、C三相和电机之间设置有接触器开关K4、K5、K6。

6.一种基于权利要求1所述的连续变频的软起动器的控制方法，其特征在于，三相整流桥将三相电网的交流电整流成电压恒定的直流电压，再用三相逆变桥将直流电压变换为频率与电压均可调的交流电给电机供电；通过检测模块对电网电压进行检测，将检测信号传输至微处理器，经过微处理器的控制算法输出相应的PWM波实现软起动器的变频起动，在工频以下调速时，控制电路采用脉冲宽度调制方式进行变频起动；变频起动的过程中，控制使得频率幅值连续变化，转速平滑提升，满足电机平滑调速的要求；当达到工频时，控制电路采用空间电压矢量控制算法进而控制逆变电路中相应器件的开通与关断，找到电机两相电流的过零点附近进行切换，从而运用接触器开关将电机直接连接至电网，变频软起动器被旁路。

7.根据权利要求6所述的一种连续变频的软起动器的控制方法，其特征在于，脉冲宽度调制方式是指，通过改变调制波的频率来改变输出的PWM波形的频率，使电机定子磁场频率与转子转速同步提升，降低起动电流，最终过渡至工频，进而实现变频起动。

8.根据权利要求6所述的一种连续变频的软起动器的控制方法，其特征在于，在旁路切换的控制过程中，主回路的IGBT管V1与V4、IGBT管V3与V6及IGBT管V5与V2分别构成三组上下桥臂，6个IGBT管中导通的顺序依次为：V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1；当电网B、A相导通时，电机U相电流处于过零点附近，从而使电机U相直接与电网A相相连；当电网C、B相导通时，电机V相电流处于过零点附近，从而使电机V相直接与电网B相相连；当电网A、C相导通时，电机W相电流处于过零点附近，从而使电机W相直接与电网C相相连。

9.根据权利要求6所述的一种连续变频的软起动器的控制方法，其特征在于，还包括续流控制步骤：在电路运行过程中，负载中的电感产生续流电流，在开关过程中出现的尖峰电压借助电阻R及电容C吸收；当检测到母线两端出现尖峰电压过大时，通过控制三相逆变桥中6个IGBT的开通与关断，使得三个上桥臂开关或三个下桥臂开关同时导通，令三相开关处于零矢量工作状态，此时电机的三个定子端处于短路状态，能量自行释放。