CN105991080B - 一种用于电机和供电网的连接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于电机和供电网的连接装置，包括：变频器(VFD)以及第一和第二开关(S1、S2)，其中，变频器(VFD)与第一开关(S1)串联，第二开关(S2)并联至变频器(VFD)和第一开关(S1)组成的串联电路的两端，其特征在于：还包括双向可控硅(SCR)或者两个反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)，双向可控硅(SCR)或者两个反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)与第二开关(S2)并联。该连接装置在旁路切换时没有电流冲击，避免了对电缆及旁路开关过标定引起的高成本，并且易于实现。

Description

一种用于电机和供电网的连接装置
技术领域
本发明属于电力工业领域，尤其涉及一种用于电机和供电网的连接装置。
背景技术
电机，俗称“马达”，广泛应用于信息处理、航空航天、工农业生产等各个领域。在电机的启动方式中，变频器是技术含量最高、控制功能最全、控制效果最好的电机控制装置，它通过改变输出频率和电压来调节电机的转速和转矩。然而，如果要求电机的负载能够在供电网的固定频率连续工作(例如在暖通空调(HVAC)应用中的多泵或多风扇功能)，通常使用接触器实现旁路以将功率损耗最小化，使用该旁路，电机在启动之后从变频器(VFD)断开并直接连接至供电网。
图1示出了现有技术的用于电机与供电网的连接装置的结构示意图。其中，Grid为供电网，VFD为变频器，M为电机，第一接触器S1为输出接触器，第二接触器S2为旁路接触器。在这种连接装置中，由于输出接触器S1和旁路接触器S2的开关死区引起的供电网电压和电机电压之间的不可控的相位差和幅值差，当电机旁路至供电网(从变频器断开并直接连接至供电网)时会产生切换电流冲击。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于电机和供电网的连接装置，包括：变频器(VFD)以及第一和第二开关(S1、S2)，其中，所述变频器(VFD)与所述第一开关(S1)串联，所述第二开关(S2)并联至所述变频器(VFD)和所述第一开关(S1)组成的串联电路的两端，其特征在于：还包括双向可控硅(SCR)，所述双向可控硅(SCR)与所述第二开关(S2)并联。
本发明还提供了另外一种用于电机和供电网的连接装置，包括：变频器(VFD)以及第一和第二开关(S1、S2)，其中，所述变频器(VFD)与所述第一开关(S1)串联，所述第二开关(S2)并联至所述变频器(VFD)和所述第一开关(S1)组成的串联电路的两端，其特征在于：还包括两个反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)，所述反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)与所述第二开关(S2)并联。
根据本发明的连接装置，优选地，所述开关为接触器。
根据本发明的连接装置，优选地，还包括用于发出指令的控制单元。
根据本发明的连接装置，优选地，所述控制单元设置在所述变频器(VFD)内。
本发明的用于电机和供电网的连接装置在旁路切换时没有电流冲击，避免了对电缆及旁路开关过标定引起的高成本，并且易于实现。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1示出现有技术的电机与供电网的连接装置的结构示意图；
图2示出根据本发明的实施例的电机与供电网的连接装置的结构示意图；
图3示出根据现有技术的电机驱动过程的参数变化曲线；
图4示出根据本发明的实施例的电机驱动过程的参数变化曲线；
图5示出使用多个本发明的连接装置将供电网与多个电机连接的示意图；
图6示出根据本发明的另外的实施例的电机与供电网的连接装置的结构示意图；
图7a为使用现有技术的连接装置将供电网与电机连接的情况下，实验测得的进行旁路切换时通过电机的冲击电流；
图7b为使用本发明的的连接装置将供电网与电机连接的情况下，实验测得的进行旁路切换时通过电机的冲击电流。
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，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。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。
众所周知，可控硅SCR是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件，亦称晶闸管。其具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，还具有高可控性，只有导通和断开两种状态，并且“一触即发”，响应速度通常为微秒量级。
图2示出了根据本发明一个实施例的用于电机与供电网的连接装置，包括：变频器VFD、第一和第二接触器S1和S2以及双向可控硅SCR，其中，变频器VFD与第一接触器S1串联，第二接触器S2以及双向可控硅SCR分别并联至所述变频器VFD和第一接触器S1组成的串联电路的两端，所述变频器VFD包含用于发出指令的控制单元。
下面将参照图3和图4，对图2所示的实施例的工作过程进行描述，其中图3表示使用图1所示的现有技术的连接装置驱动电机的过程中各个参数随时间的变化关系，图4表示使用图2的连接装置驱动电机的过程中各个参数随时间的变化关系。图中的各个符号分别表示：
S1、S2和SCR分别表示第一和第二接触器S1和S2以及双向可控硅SCR的状态随时间的变化关系，高位表示导通，低位表示断开；虚线表示控制单元发出的指令信号，实线表示接触器和双向可控硅的实际状态；
UL表示供电网的电压变化曲线，周期例如为20ms；
UM表示电机两端的电压变化曲线；
IM表示电机的相电流随时间的变化。
参照图3，在现有的装置中，首先导通第一接触器S1，通过变频器VFD给电机M供电，当电机工作稳定之后，在t1时刻，控制单元给变频器发出停止指令，变频器接收到指令之后迅速地(微秒量级)断开输出电压，电机的相电流也迅速断开，但是由于电机的旋转运动以及磁路中的剩余磁通，电机两端仍然有剩余电压并且该电压随时间逐渐衰减，同时，控制单元给第一接触器S1发出断开指令，但是由于接触器本身的延迟，第一接触器S1在t3时刻实际断开；在t2时刻，控制单元给第二接触器S2发出导通指令，同样由于接触器本身的延迟，第二接触器S2在t4时刻实际导通。由于电机两端的剩余电压正比于电机的转速，而电机的转速在死区时间t1～t4时段内逐渐衰减，所以t1～t4的间隔越长，电机两端的剩余电压相对于供电网电压的相位差越不可控、幅值差越大，在图3中所示的情况下，t4时刻二者的相位差为180°，所以在第二接触器S2实际导通的瞬间，产生非常大的冲击电流IM。本领域技术人员可以理解，为了保证在第二接触器S2导通之前变频器VFD已经彻底断开，通常给第二接触器S2发出导通指令的时刻滞后于给第一接触器S1发出断开指令的时刻。
参照图4，在本发明中，同样的，首先通过变频器VFD给电机M供电，在该过程中，第一接触器S1是导通的，电机M两端的电压UM由变频器提供，该电压模式的基波由虚线的U1M曲线表示。可以看出，在图4所示的情况下，变频器VFD提供的电压的基波与供电网的电压UL的相位和幅值都相同。
当电机M工作稳定之后，在t1时刻，控制单元发出指令，要求变频器VFD停止工作，变频器VFD迅速地(微秒量级)断开输出电压，在该时刻，同时要求第一接触器S1断开、第二接触器S2导通，在该实施例中，第一接触器S1的延迟时间为18ms而第二接触器S2的延迟时间为23ms，所以，在t4时刻，第一接触器S1实际断开，而在t4之后的t5时刻，第二接触器S2实际导通；在t2时刻，控制单元要求双向可控硅SCR导通，双向可控硅SCR在t3时刻实际导通，并且通过旁路给电机M供电，由于SCR“一触即发”，t2～t3的间隔非常短(微秒量级)。然后，在第二接触器S2实际导通的t5时刻之后的t6时刻，控制单元发出指令以断开双向可控硅SCR，从而完成从第一接触器S1向第二接触器S2的切换。
使用本发明的连接装置，接触器的切换过程中电机M的死区时间非常短，为微秒量级，如图4所示，t1～t2为设定的死区时间，而t1～t3为实际的死区时间。所以第一接触器S1切换至第二接触器S2的旁路时间几乎为零(<10μs)。
另外，在微秒量级的t1～t3时段内，电机M的相电流和剩余电压几乎不变。在t3时刻，双向可控硅SCR实际导通，其保证了接触器的平缓切换，在第二接触器S2实际导通的t5时刻，电机电压UM和供电网电压UL之间无相位差和幅值差，不会出现切换电流冲击。由于没有电流冲击，在设计连接装置时不需要对供电装置的电缆和接触器过标定，并且SCR是较为廉价的器件，因此大大节约了成本。
根据本发明的另外的实施例，使用多个实施例1所述的连接装置将供电网与多个电机连接，如图5所示。
根据本发明的其他实施例，用反并联连接的单向可控硅SCR1和SCR2代替双向可控硅SCR，如图6所示。
根据本发明的其他实施例，所述接触器可以是本领域公知的任意其他的开关器件。
在一个实施例中，所述接触器的延迟时间≤100ms；在又一个实施例中，所述接触器的延迟时间≤200ms。本领域技术人员可以理解，在本发明中，不对第一接触器和第二接触器的延迟时间以及二者之间的关系作任何限定。
根据本发明的其他实施例，所述用于发出指令的控制单元可以设置在变频器外部，甚至可以是设置在所述连接装置外部的控制器。
为了充分说明本发明的有益效果，发明人将本发明与现有技术的实验测定的进行旁路切换时通过电机的冲击电流进行比较，如图7a和7b所示。图7a为使用现有技术的连接装置得到的实验结果，实验测得的峰值电流为387.50A，为稳态峰值电流(16.46A)的23倍；而在图7b所示的使用本发明的连接装置得到的实验结果可以看出，峰值电流为16.46A，与稳态峰值电流相等，说明冲击电流为零。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (4)

1.一种用于电机和供电网的连接装置，包括：变频器(VFD)以及第一和第二开关(S1、S2)，其中，所述变频器(VFD)与所述第一开关(S1)串联，所述第二开关(S2)并联至所述变频器(VFD)和所述第一开关(S1)组成的串联电路的两端，其特征在于：
还包括双向可控硅(SCR)，所述双向可控硅(SCR)与所述第二开关(S2)并联；以及
控制单元，所述控制单元被设置为：
在所述电机的稳定工作状态，由所述控制单元向所述变频器(VFD)发出停止工作的指令，所述变频器(VFD)以微秒量级迅速断开输出电压,在该时刻，同时传送断开指令到所述第一开关(S1)和导通指令到所述第二开关(S2)，其中所述第一开关(S1)的延迟时间小于所述第二开关(S2)；
在传送所述导通指令到所述第二开关(S2)后以微秒量级迅速传送导通指令到所述双向可控硅(SCR)，其中所述双向可控硅(SCR)响应速度为微秒量级；以及
在所述第二开关(S2)导通后传送断开指令到所述双向可控硅(SCR)。
2.一种用于电机和供电网的连接装置，包括：变频器(VFD)以及第一和第二开关(S1、S2)，其中，所述变频器(VFD)与所述第一开关(S1)串联，所述第二开关(S2)并联至所述变频器(VFD)和所述第一开关(S1)组成的串联电路的两端，其特征在于：
还包括两个反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)，所述反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)与所述第二开关(S2)并联；以及
控制单元，所述控制单元被设置为：
在所述电机的稳定工作状态下，由所述控制单元向所述变频器(VFD)发出停止工作的指令，所述变频器(VFD)以微秒量级迅速断开输出电压,在该时刻，同时传送断开指令到所述第一开关(S1)和导通指令到所述第二开关(S2)，其中所述第一开关(S1)的延迟时间小于所述第二开关(S2)；
在传送所述导通指令到所述第二开关(S2)后以微秒量级迅速传送导通指令到所述两个反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)，其中所述两个反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)响应速度为微秒量级；以及在所述第二开关(S2)导通后传送断开指令到所述两个反并联的单向可控硅(SCR1、SCR2)。
3.根据权利要求1或2所述的连接装置，其特征在于：所述开关为接触器。
4.根据权利要求1或2所述的连接装置，其特征在于：所述控制单元设置在所述变频器(VFD)内。
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