CN106059396A - 一种高压电动机软启动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压电机软起动启动器，包括由晶闸管组成的串联多重化交交变频电路。用于拖动风机或水泵的高压大容量电机，针对串联多重化交交变频电路基础上使用“跳相变频”技术可获得显著变频调速节能效果，但该技术更适于输出频率35～50Hz范围，且35Hz以下工况设计工作量大问题，通过变换串联多重化交交变频电路每一重电路的输出电压相位，获得总输出电压的变化，从而控制电机启动期电流和转矩，实现电机从零到变频运行速度的软起启动效果，减少冲击。所述串联多重化交交变频电路中，各重电路输入端三相交流电源互相独立，各重电路分别独立进行控制；各重电路的输出电压相位受控；通过调整各重输出电压的相位关系，达到调整总输出电压大小目的。

Description

一种高压电动机软启动器

技术领域

本发明涉及一种高压电动机软启动器，具体为一种利用多重化交交变频电路各重之间的关系，通过恰当控制各重输出的相位关系，获得对总体输出电压的控制能力，从而在不用增加电路的情况下获得降压、限流、软起动大容量电动机能力的软启动器，属电力电子技术领域。

背景技术

高压大容量电动机启动时间段，电动机转子由静止状态向额定转速增加过程中，电动机绕组反电势很小，使得启动电流很大，并因此产生的转矩也很大，电流和转矩的这种冲击对电动机和拖动系统具有破坏作用，冲击电流还可能导致电网运行不稳定甚至发生跳闸事故。

为解决上述问题，一种有效的启动办法是使用电动机软启动器，市场上的电动机软启动器有多种形式，其中以晶闸管为基础构成的固态软启动器因具有体积小、重量轻、可重复启动、启动模式方便调整等优点，具有很好的发展前景。但现有固态软启动器均是由晶闸管反并联构成主电路，通过调整晶闸管触发延迟角来调整启动器的输出电压，这种电路有两个难于解决的缺点：其一是输出电压为非正弦波，电流有谐波。原因是软启动器改变输出电压依靠的是调整晶闸管触发延迟角，人为使晶闸管导通的时间缩短，将输入电压波形切除掉一块，这样输出电压波形就是一种带缺口的正弦波，这种电压波形加载到电动机绕组上，必然在绕组中产生谐波，使电动机发热、绕组过电压导致绝缘击穿，谐波还污染电网、降低电网供电质量；其二是在低压输出时仅两相工作，三相不平衡。电动机在全压运行时，三相平衡，电动机运行稳定、电网也平衡工作。然而现有软启动器在启动过程中人为在电源波形中切除掉一块，当电动机处于启动初期，电流比较小的时候，电流在每个周期会出现断续，一旦某一相电流断流则电动机绕组只有两相工作，电动机处于不平衡工作状态，会产生对电动机和拖动系统有害的抖动，不平衡的电流进入电网也会使电网不平衡，对电网的安全运行也产生了不利影响。

目前在许多电动机传动应用领域中，电能利用率较低，尤其是风机、水泵类拖动系统中，能源浪费现象严重，采用变频技术是工业进行节能改造的首选方案。在一些变频器运用场合中频率范围要求大，而传统的交交变频电路的输出频率较低，其输出波形中每个电源周期（20ms）内脉波数目较少（分别为3个、6个），在保证输出波形中谐波含量较少的情况下，变频器输出频率受到限制，一般最高只能输出到20Hz左右。

将交交变频电路进行多重化联接可以增加其输出电源波形每个电源周期中的脉波数目，从而提高变频电路的输出频率，三重化时输出频率可接近50Hz，进一步提高电路的重数可进一步改善输出电源的质量。尤其是，在串联多重化交交变频电路的基础上使用“跳相变频”技术，可以获得无环流、无死区的性能优势，使晶闸管交交变频器的输出频率能超过20Hz，进入更广泛的应用领域。

但“跳相变频”技术比较适合于输出频率35～50Hz范围，低于35Hz及以下工况的设计工作量太大。针对风机、泵类拖动系统，其变频需求的范围一般正好在35～50Hz内，只要能够将电动机从零速度启动到变频运行区间则可按“跳相变频”的方式变频运行。但为了启动电动机而额外增加一台软启动器很不划算。研究表明：利用串联多重化交交变频电路本身的串联特点，通过变换每一重电路的输出电压相位，可以获得总输出电压的变化，从而控制电动机启动期间的电流和转矩，减小冲击，实现将电动机从零速度启动到变频运行速度的软启动效果。

发明内容

本发明目的是针对背景技术提出问题，设计一种高压电动机软启动器，克服现有固态软启动器启动过程中输出电压为非正弦波，电流有谐波；低电压输出时仅两相工作，三相不平衡两大缺点，针对拖动风机或水泵的高压大容量电动机，利用串联多重化交交变频电路本身的串联特点，通过变换每一重电路的输出电压相位，获得总输出电压的变化，从而控制电动机启动期间的电流和转矩，减小冲击，实现将电动机从零速度启动到变频运行速度的软启动效果。无需额外增加一台软启动器，实现输出电压为纯正弦波波形，没有残缺正弦波电压带来的谐波问题，而且其输出电压在任何时候都有输出、三相之间也保持互差120度，解决了三相不平衡的问题。本发明一种高压电动机软启动器是在交交变频电路的基础上实现，其运行状态与交交变频运行状态相结合、分阶段运行。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高压电动机软启动器，包括：移相变压器、串联M重化交交变频电路，设定M值最小为三，最大为九；所述串联M重化交交变频电路的每一重包括：二组（P组和N组）反并联的三相全控整流桥，每组整流桥以晶闸管构成三相桥式整流电路，所述P组和N组整流桥中的晶闸管分时工作，使负载获得交变电压；所述移相变压器用于产生3×M路相互独立的三相交流电源；其特征在于：

所述串联M重化交交变频电路中，各重电路的三相交流电源输入端分别与相互独立的三相交流电源对接，且：

各重电路分别独立进行控制；

各重电路的输出电压相位受控；

通过调整各重输出电压的相位关系，实现总输出电压大小的调整。

其有益效果是：充分利用多重化交交变频电路各重之间的关系，通过恰当控制各重输出的相位关系，可以获得对总体输出电压的控制能力，从而在不用增加电路的情况下获得降压、限流、软启动大容量电动机的能力，尤其适合于应用在对性能要求不是很高的场合，不仅成本大大降低，可靠性也显而易见。

本发明一种高压电动机软启动器在工作中的启动过程是：

首先控制交交变频电路工作于输出电压最小的一种工况，使电动机启动时的电流和转矩冲击得到限制；在第一种工况中运行一小段时间，待电动机转速有所上升，电流下降到设定值时，控制交交变频电路工作于输出电压次小的一种工况；在第二种工况中运行一小段时间，待电动机转速进一步上升，电流下降到设定值时，控制交交变频电路工况向下一种情况切换；如此进行，直到电动机完全启动则结束软启动过程，转入交交变频运行状态。

由于在每种工况下，各重电路的输出完全是某一线电压，故电路总的输出一定是一个完美的正弦波，如此工作则对电动机没有谐波带来的伤害，对电网没有谐波污染。不过，在不同工况之间切换的时候会带来一定的冲击，这点缺陷对于实际应用有限制作用，本发明公开的软启动器仅适用于能耐受一定冲击的场合如风机拖动系统中。

附图说明

图1是本发明实施例一种高压电动机软启动器单相交交变频电路示意图；

图2是单相串联三重化交交变频电路示意图；

图3是三相串联三重化电路驱动电动机示意图；

图4是三重化电路的线电压矢量图；

图5是本发明实施例一种高压电动机软启动器实施框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参见图1～图5，本发明一种高压电动机软启动器实施例以三重化电路为例。

附图1是串联三重化交交变频电路的一重，包括：二组（P组和N组）反并联的三相全控整流桥，每组整流桥以晶闸管构成三相桥式整流电路，所述P组和N组整流桥中的晶闸管分时工作，使负载Z获得交变电压（如图1所示）。

如图2所示，将三个一重的交交变频电路串联起来即可构成单相的串联三重化交交变频电路，依然使P组和N组晶闸管分时工作，使负载Z上可以获得交变的电压；将三个单相串联三重化交交变频电路按星型或三角型方式联接，就组成了一个三相三重化交交变频电路驱动三相电动机（星型方式联接电路如图3所示）。

图3中，M代表电动机，C1B1A1、C4B4A4和C7B7A7分别代表三组相序均为ABC且互差20°的三相电源，P表示P组晶闸管，N表示N组晶闸管，其后的第一个数字与对应三相电源序号相同，第二个数字为组内编号。

控制时，将第一相触发脉冲延迟120°作为第二相的触发脉冲，将第二相的触发脉冲再移相120°作为第三相触发脉冲。

由于每重电路任何时候的输出电压为该重电路三相电源的六个线电压之一，如图2中，AO之间的电压为A1B1、A1C1、B1C1、B1A1、C1A1、C1B1六者之一，BA之间的电压为A4B4、A4C4、B4C4、B4A4、C4A4、C4B4六者之一，CB之间的电压为A7B7、A7C7、B7C7、B7A7、C7A7、C7B7六者之一，电路的总输出CO之间的电压为三重电路输出电压的矢量和，各电压的矢量关系如图4所示。将三重输出的各六种情况进行组合，可以得到6×6×6=216种情况，其中有5种不同的矢量和长度（对应电压大小），每种长度挑选一种情况作为在软启动过程中的使用工况。

实际使用中，首先根据电网等级和电动机参数选用合适的移相变压器，所述移相变压器输入接三相电网，输出9组相互隔离的三相电，其中3组三相电标记为A1B1C1、A4B4C4、A7B7C7，它们互相之间相差20°的相位差，与交交变频电路按图2形式连接后，产生变频输出供给电动机的某一相绕组；其他6组三相电，第三组与A1B1C1、A4B4C4、A7B7C7类似，互相之间相差20°的相位差，按类似图2的形式连接后，产生变频输出供给电动机的另外两相绕组，如图3所示。

以第一相为例，选取5种输出电压情况作为软启动工况，电压从小到大依次为AB1+BC4+CA7、AB1+BC4+BC7、AC1+BC4+BA7、AC1+BC4+BC7、BC1+BC4+BC7。

在实际软启动过程中，首先控制交交变频电路工作于输出电压最小的一种工况，使电动机启动时的电流和转矩冲击得到限制；在第一种工况中运行一小段时间，待电动机转速有所上升，电流下降到设定值时，控制交交变频电路工作于输出电压次小的下一种工况；使总的输出电压为AB1+BC4+BC7，由于电压有所上升，则电动机可在前一种工况的转速下进一步提升速度，启动电流仍可限制在较小的范围，在第二种工况中运行一小段时间，待电动机转速进一步上升，电流下降到设定值时，控制交交变频电路工况再向下一种情况切换；随后，依次切换工况，使总的输出电压依次为AC1+BC4+BA7、AC1+BC4+BC7、BC1+BC4+BC7，由于电压逐步上升，则电动机可在前一种工况的转速下逐步提升速度，启动电流也仍限制在较小的范围，直到电动机完全启动则结束软启动过程，转入交交变频运行状态。

当运行于第一种工况时，控制电路通过驱动电路不间断地给晶闸管P11和N14发触发脉冲，同时也给P16和N13发触发脉冲，则无论电流方向如何，A点总是与A1相连接，而O点总是与B1相连接，那么AO之间的电压为A1B1（简记为AB1）；同理，不间断地给晶闸管P43、N46、P42、N45发触发脉冲，那么BA之间的电压为B4C4（简记为BC4）；不间断地给晶闸管P75、N72、P74、N71发触发脉冲，那么CB之间的电压为C7A7（简记为CA7）；则电路在CO之间总的输出电压为AB1+BC4+CA7，由于电压最小，电动机的启动电流和转矩均限制在较小的范围。

当M=6或9时，电路原理与M=3的三重化电路相似，在这里不再举实施例说明。需要说明的是：理论上M可以是3～9之间任意数，或者更大，但选择3、6、9则相对于其他几个数字要好，因为系统结构和控制方法更简单。

Claims (1)

1.一种高压电动机软启动器，包括：移相变压器、串联M重化交交变频电路，设定M值最小为三，最大为九；所述串联M重化交交变频电路的每一重包括：二组（P组和N组）反并联的三相全控整流桥，每组整流桥以晶闸管构成三相桥式整流电路，所述P组和N组整流桥中的晶闸管分时工作，使负载获得交变电压；所述移相变压器用于产生3×M路相互独立的三相交流电源；其特征在于：

所述串联M重化交交变频电路中，各重电路的三相交流电源输入端分别与相互独立的三相交流电源对接，且：

各重电路分别独立进行控制；

各重电路的输出电压相位受控；

通过调整各重输出电压的相位关系，实现总输出电压大小的调整。