CN105978436A - 基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统,包括微控制器MCU、预充磁磁场矢量控制电路,所述预充磁磁场矢量控制电路由均与微控制器MCU连接的六只电力晶闸管组成,三相交流电源的A、B、C相分别两只电力晶闸管与三相异步电动机连接;所述微控制器MCU分别与设置在三相交流电源的A、B、C相与三相异步电动机之间的第一电流互感器、第二电流互感器、第三电流互感器连接;还公开了一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法;通过本发明能够为三相预充磁和两相预充磁,使定子达到“预热”的效果。
Description
技术领域
本发明属于电机变频软起动技术领域,具体涉及一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统及其方法。
背景技术
在改变电压的同时不改变电源频率存在两个严重的缺点:一、起动转矩小,三相交流感应电动机起动转矩和所加的定子侧端电压的平方成正比,当电压降低时,起动转矩以电压降低的平方倍数降低。在重载或满载起动时会使电机进入堵转保护而起动失败;二、不能改变定子磁场的转速,起动转差过大;电机刚起动时,转子转速较低,三相晶闸管降压起动的定子磁场是以同步转速在转动,相对于低转速的转子,转差很大。
在此之前有人提出过离散变频,离散变频是基于工频三相电,通过晶闸管使某些正弦半波导通而某些不导通来改变输入电机的电源频率,以此来产生变频的效果,这在理论上是没有问题的,但是经过仿真和实验发现离散变频后的电源谐波含量很大,用15KW的异步电机带45%的负载时便出现谐波影响很大,电机抖动明显的现象。
变频器也有被用作软起动器的,虽然起动效果较好,但变频器在技术上属于交-直-交结构,它首先将三相工频电源进行三相桥式不可控整流,然后对整流输出的直流电压进行滤波,最后采用脉冲宽度调制(PWM)技术输出电压频率都可调的可控交流电,变频器结构、技术复杂,成本较高,做变频器使用不易于普及推广。
综上所示,目前软起动技术存在着起动电流大、脉动转矩分量较大、起动转矩低、起动过程谐波含量高等特点。
发明内容
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统及其方法。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
本发明实施例提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统,该系统包括微控制器MCU、预充磁磁场矢量控制电路,所述预充磁磁场矢量控制电路由均与微控制器MCU连接的六只电力晶闸管组成,三相交流电源的A、B、C相分别两只电力晶闸管与三相异步电动机连接;所述微控制器MCU分别与设置在三相交流电源的A、B、C相与三相异步电动机之间的第一电流互感器、第二电流互感器、第三电流互感器连接。
本发明实施例还提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法,该方法为:依次对三相异步电动机的三相或者任意两相对应的定子预充磁,然后根据所述定子预充磁的定子磁链方向依次切换三相异步电动机的电机起动电压,最后根据六边形电压矢量控制三相异步电动机的变频软起动。
上述方案中,所述根据六边形电压矢量控制三相异步电动机的变频软起动,具体为:7分频下在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开一组两相循环导通并且导通中间设置有第一间隔角度;待三相异步电动机到达额定转速后切换到4分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开两组两相循环导通并且导通中间设置有第二间隔角度;待三相异步电动机到达额定转速后切换到3分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开三组两相循环导通并且导通中间设置有第三间隔角度;待三相异步电动机到达额定转速后切换到2分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开六组组两相循环导通并且导通中间设置有第四间隔角度,待三相异步电动机到达额定转速后切换到工频电源,电压直接调到工频电压或继续按调压起动方式迅速增大起动电压,直到电机起动完成达到额定转速,形成了对电机预充磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。
上述方案中,所述旋转磁场矢量控制周期为AC-BC-BA-CA-CB-AB相。
上述方案中,所述第一间隔角度、第二间隔角度、第三间隔角度、第四间隔角度均大于等于三十度。
与现有技术相比,本发明的有益效果:
本发明能够分别为三相预充磁和两相预充磁,三相预充磁是对三相电机的三相都适当地接入电网一段合适的时间而两相预充磁是对三相电机的任意两相适当地接入电网一段合适的时间,使电机的定子达到“预热”的效果;接着电机进入软起动,把软起动的第一个电压磁链无缝连接到预充磁形成的磁链中,从而达到使电机起动平稳和增大起动转矩的目的;同时,在电机起动过程中利用六边形旋转磁场原理实现7、4、3、2、1分频的变频过程,至此实现电机能平稳缓慢起动和增大电机起动转矩降低起动电流的目的
附图说明
图1为本发明实施例提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统的主回路结构拓扑图;
图2为本发明对电机三相和两相充磁时的三相电源导通电压波形图。、;
图3为本发明在7分频、4分频、3分频、2分频和工频下的旋转磁场矢量控制的三相电源导通电压波形图;
图4为本发明在7分频下对称的三相电源电压相量图;
图5为本发明在7分频、4分频、3分频、2分频下的磁场矢量控制软起动器各个导通区间对应的电压相量图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统,如图1所示,该系统包括微控制器MCU7、预充磁磁场矢量控制电路,所述预充磁磁场矢量控制电路由均与微控制器MCU7连接的六只电力晶闸管组成,三相交 流电源的A、B、C相分别两只电力晶闸管与三相异步电动机11连接;所述微控制器MCU7分别与设置在三相交流电源的A、B、C相与三相异步电动机11之间的第一电流互感器8、第二电流互感器9、第三电流互感器10连接。
具体地,第一晶闸管1和第四晶闸管4实现对交流电源A相的控制,第三晶闸管3和第六晶闸管6实现对交流电源B相的控制,第五晶闸管5和第二晶闸管2实现对交流电源C相的控制;其中所述第一晶闸管1、第三晶闸管3、第五晶闸管5分别控制A、B、C相的正半周,所述第四晶闸管4、第六晶闸管6、第二晶闸管2分别控制A、B、C相的负半周;所述第一电流互感器8、第二电流互感器9、第三电流互感器10用于将三相电流信号传递给微控制器MCU7用于对电流监测和做限流起动。
例如:如图3的A图所示,其中AC相表示以A相过零上升沿开始计算触发角第一开晶闸管1、第二晶闸管2;BC相表示以C相过零下降沿开始计算触发角开第三晶闸管3、第二晶闸管2;BA相表示以B相过零上升沿开始计算触发角开第三晶闸管3、第四晶闸管4;CA相表示以A相过零下降沿开始计算触发角开第五晶闸管5、第四晶闸管4;CB相表示以C相过零上升沿开始计算触发角开第五晶闸管5、第六晶闸管6;AB相表示以B相过零下降沿开始计算触发角开第一晶闸管1、第六晶闸管6。、
所述晶闸管的触发角度范围从30°到210°。
本发明实施例还提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法,该方法为:依次对三相异步电动机11的三相或者任意两相对应的定子预充磁,然后根据所述定子预充磁的定子磁链方向依次切换三相异步电动机11的电机起动电压,最后根据六边形电压矢量控制三相异步电动机11的变频软起动。
如图2的A图和B图所示,A图阴影部分为三相预充磁下的三相电压导通的电压波形,以AC和BC相为例说明,当A相过零点角度为α1(α1<210°)时,由微控制器MCU7同时给第一晶闸管1、第二晶闸管2发送触发信号,A相正半周和C相的负半周导通,此时电机电压为紧接着检测到C相的过零点角 度为α1时由微控制器MCU7同时给第三晶闸管3、第二晶闸管2发送触发信号,B相正半周和C相的负半周导通,此时电机电压为至此,形成一定强度的定子磁链,方向先是AC方向增长,然后转到BC方向增长,总的磁场是不断增大的。B图阴影部分为两相预充磁下的三相电压导通的电压波形,以AC相为例说明,当A相过零点角度为α1(α1<210°)时,由微控制器MCU7同时给第一晶闸管1、第二晶闸管2发送触发信号,A相正半周和C相的负半周导通,此时电机电压为其中电压和主要根据电机负载来选择,目的是对电机定子预充磁时使电机转子拥有能量,但却是将转未转或刚转起来的状态。
预充磁以120°其余均以150°晶闸管的触发角为例说明;在所述微控制器7的控制下,先给电机定子预充磁,如图2的A图所示,为对电机三相预充磁,即先用晶闸管对电机三相通三相电,例如预充磁时先对电机的AC相触发角为120°,接着对电机的BC相触发角为120°,定子磁链先是AC相增长,接着BC相增长AC相开始衰减,磁链由AC相方向转移到BC相方向。在进入软起动时就得按磁链方向切换电机起动电压。如图2的B图所示,对电机两相预充磁,即先用晶闸管对电机任意两相对一次电压,例如预充磁时对电机的AC相触发角为120°就形成AC方向的定子磁链,接着顺着预充磁的定子磁链方向切换电机起动电压。
所述根据六边形电压矢量控制三相异步电动机11的变频软起动,具体为:7分频下在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开一组两相循环导通并且导通中间设置有第一间隔角度;待三相异步电动机11到达额定转速后切换到4分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开两组两相循环导通并且导通中间设置有第二间隔角度;待三相异步电动机11到达额定转速后切换到3分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开三组两相循环导通并且导通中间设置有第三间隔角度;待三相异步电动机11到达额定转速后切换到2分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开六组组两相循环导通并且导通中间设置有第四间隔角度,待三相异步电动机11到达额定转速后切换到工频电源,电压 直接调到工频电压或继续按调压起动方式迅速增大起动电压,直到电机起动完成达到额定转速,形成了对电机预充磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。
所述旋转磁场矢量控制周期为AC-BC-BA-CA-CB-AB相。
所述第一间隔角度、第二间隔角度、第三间隔角度、第四间隔角度均大于等于三十度。
具体地,如图3的A图,即先给AC相通电压;间隔420°后给BC相通电压;间隔420°后给BA相通电压;间隔420°后给CA相通电压;间隔420°后给CB相通电压;间隔420°后给AB相通电压,形成AC-BC-BA-CA-CB-AB每次开两相循环导通每次导通间隔420°,这样经过7个工频周期后完成一个旋转磁场矢量控制周期,并且每次触发晶闸管时的触发角度,即电压可调,又由于磁场矢量控制的周期为50/7≈7.14HZ,结合前面的电压调节,可以根据实时负重改变电压/频率比,即尽可能保持电机转矩恒定。待电机到达7分频下的额定转速后切换到4分频下运行。如图3的B图,其中4分频就是在前面7分频的基础下开AC和BC相中间不再间隔420°连着触发,接着间隔420°后再接连开BA和CA相,间隔420°后再接连开CB和AB相。待电机达到4分频下的额定转速后切换到3分频下运行。如图3的C图,3分频原理同4分频一样,在7分频的基础下接连开AC、BC和BA相,接着间隔420°后再接连开CA、CB和AB相。待电机到达3分频的额定转速后切换到2分频下运行。如图3的D图,2分频的原理同3分频一样,在7分频的基础下在一个周期内接连开AC、BC、BA、CA、CB和AB相,间隔360°后再重复上面的过程。待电机到达2分频下的额定转速后迅速切换到工频电源,如图3的E图,此时电压可直接调到工频电压或继续按调压起动方式迅速增大起动电压,直到电机起动完成达到额定转速。这样就形成了对电机预充磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。本发明能使电机定子在充磁的基础上缓慢起动不至于抖动过大,能有效降低电机起动电流的同时,又不损失电机的起动转矩,做到真正的小电流、大转矩起动,与目前的电机软起动 技术相比,具有明显优势。
给电机定子充磁后,电机已经获得一定的能量,开始进入电机软起动阶段。以附图3中A图三相电压波形为参考,三相电压相量图如附图4所示,当A相过零点角度为α3(α3<210°)时,对应某个时刻,由微控制器MCU7同时给第一晶闸管1、第二晶闸管2发送触发信号,A相正半周和C相的负半周导通,此时电机电压为此后经过420°,由微控制器7同时给第三晶闸管3、第二晶闸管2发送触发信号,B相正半周和C相的负半周导通,此时电机电压为此后再经过420°,由微控制器7同时给第三晶闸管3、第四晶闸管4发送触发信号,B相正半周和A相的负半周导通,此时电机电压为此后再经过420°,由微控制器7同时给第五晶闸管5、第四晶闸管4发送触发信号,C相正半周和A相的负半周导通,此时电机电压为此后再经过420°,由微控制器7同时给第五晶闸管5、第六晶闸管6发送触发信号,C相正半周和B相的负半周导通,此时电机电压为此后再经过420°,由微控制器7同时给第一晶闸管1、第六晶闸管6发送触发信号,A相正半周和B相的负半周导通,此时电机电压为 至此,磁场矢量控制软起动器对三相电源完成一个周期的触发,耗时7个工频周期,为0.14s,即调节后的电源频率由50HZ变为7.14HZ,7分频电机定子电压矢量波形相量图如附图4的A图所示,一个周期内沿箭头方在空间旋转一周,电机定子磁场方向也在一个周期内沿箭头方向旋转一周,频率为7.14HZ。同理,只要在触发完第一晶闸管1、第二晶闸管后不再间隔420°接着触发第三晶闸管3、第二晶闸管2,间隔420°后触发完第三晶闸管3、第四晶闸管4接着触发第五晶闸管5、第四晶闸管4,再间隔420°后触发完第五晶闸管5、第六晶闸管6接着触发第一晶闸管1、第六晶闸管6,至此即完成一个周期的触发,耗时4个工频周期,为0.08s,即调节后的电源频率由7.14HZ变为12.5HZ,4分频电机定子电压矢量波形相量图如附图4的B图所示。同理,只要在触发完第一晶闸管1、第二晶闸管2后接着触发第三晶闸管3、第二晶闸管2再接着触发第三晶闸管3、第四晶闸管4,间隔420°后触发完第五晶闸管5、第四晶闸管4后接 着触发第五晶闸管5、第六晶闸管6再接着触发第一晶闸管1、第六晶闸管6,至此完成一个耗时0.06s的触发周期,即调节后的电源频率由12.5HZ变为16.7HZ,3分频电机定子电压矢量波形相量图如附图4的C图所示。同理,接连触发第一晶闸管1、第二晶闸管2,第三晶闸管3、第二晶闸管2,第三晶闸管3、第四晶闸管4,第五晶闸管5、第四晶闸管4,第五晶闸管5、第六晶闸管6和第一晶闸管1、第六晶闸管6后间隔360°,再触发第一晶闸管1、第二晶闸管2,第三晶闸管3、第二晶闸管2,第三晶闸管3、第四晶闸管4,第五晶闸管5、第四晶闸管4,第五晶闸管5、第六晶闸管6和第一晶闸管1、第六晶闸管6,至此完成一个耗时0.04s的触发周期,即调节后的电源频率由16.7HZ变为25HZ,2分频电机定子电压矢量波形相量图如附图4的D图所示。在2分频的基础上中间不再间隔360°即可得到50HZ的工频电源;顺序把7、4、3、2和工频连接起来就得到完整的软起动分频过程。
如图5所示,A图为7分频下对称的电压相量示意图,B图为4分频下的电压相量示意图,因为是接连触发两相后再间隔420°,所以后触发的一相电压相量会有所减小。C图为3分频下的电压相量示意图。D图为2分频和工频下的电压相量示意图。
在电机起动过程中触发晶闸管时,通过调节触发角αx的大小来调节电压大小,由于磁场矢量控制的周期为50/7≈7.14HZ,结合前面的电压调节,在改变电机频率的同时适当增加电压可以保持电机转矩维持在恒定范围内,使电机起动平稳过渡。待电机达到7.14HZ下的额定转速以后,将电源频率切换至12.5HZ,待电机达到该频率下的额定转速以后将电源频率切换到16.7HZ,待电机转速达到该频率下的额定转速后将电源频率切换到25HZ,待电机达到该频率下的额定转速即可将电源频率切换到工频50HZ,随着频率的增加可将电压升至额定电压380V或继续按调压方式或限流方式不断增大起动电压,直至电机起动完成。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统,其特征在于,该系统包括微控制器MCU、预充磁磁场矢量控制电路,所述预充磁磁场矢量控制电路由均与微控制器MCU连接的六只电力晶闸管组成,三相交流电源的A、B、C相分别两只电力晶闸管与三相异步电动机连接;所述微控制器MCU分别与设置在三相交流电源的A、B、C相与三相异步电动机之间的第一电流互感器、第二电流互感器、第三电流互感器连接。
2.一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法,其特征在于,该方法为:依次对三相异步电动机的三相或者任意两相对应的定子预充磁,然后根据所述定子预充磁的定子磁链方向依次切换三相异步电动机的电机起动电压,最后根据六边形电压矢量控制三相异步电动机的变频软起动。
3.根据权利要求1所述的基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法,其特征在于,所述根据六边形电压矢量控制三相异步电动机的变频软起动,具体为:7分频下在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开一组两相循环导通并且导通中间设置有第一间隔角度;待三相异步电动机到达额定转速后切换到4分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开两组两相循环导通并且导通中间设置有第二间隔角度;待三相异步电动机到达额定转速后切换到3分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开三组两相循环导通并且导通中间设置有第三间隔角度;待三相异步电动机到达额定转速后切换到2分频下运行,在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开六组组两相循环导通并且导通中间设置有第四间隔角度,待三相异步电动机到达额定转速后切换到工频电源,电压直接调到工频电压或继续按调压起动方式迅速增大起动电压,直到电机起动完成达到额定转速,形成了对电机预充磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。
4.根据权利要求3所述的基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法,其特征在于:所述旋转磁场矢量控制周期为AC-BC-BA-CA-CB-AB相。
5.根据权利要求2或3所述的基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法,其特征在于:所述第一间隔角度、第二间隔角度、第三间隔角度、第四间隔角度均大于等于三十度。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160928 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |