CN106100455B - 三相交流异步电动机起动电路及其控制方法 - Google Patents

三相交流异步电动机起动电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相交流异步电动机起动电路，包括整流桥、逆变桥，工频三相输入电压Ua、Ub、Uc经整流桥整流后得到脉动直流电压，所述脉动直流电压经逆变桥逆变输出三相交流电压UA、UB、UC；还公开了一种三相交流异步电动机的连续变压变频起动控制方法，通过本发明能够实现三相交流异步电动机的连续变压变频起动控制，具有起动转矩大，起动电流小，转矩震动小的优点，同时在起动完成后切换到工频电压时具有操作简单，切换冲击小的特点，可用于大功率三相交流异步电动机的重载起动。

Description

三相交流异步电动机起动电路及其控制方法
技术领域
本发明属于直流环节无电解电容的变频软起动器技术领域，具体涉及一种三相交流异步电动机起动电路及其控制方法。
背景技术
交流电机在额定电压直接空载起动时电流通常为额定电流4～7倍，过大的冲击电流不仅会加速绕阻绝缘老化，缩短电机寿命，还可能导致同电网负荷不能正常工作。受交流电动机运行机理的制约，当采用工频(50Hz)直接起动时不但电机起动电流大，而且起动转矩却比运行时要小。因此，在对电机的起动过程进行控制，限制其起动电流的同时，希望增加起动转矩。这是一个矛盾但在现实中又希望解决和改善的问题。
从20世纪60年代至今，交流电机软起动技术有定子串电阻/电抗软起动、频敏变阻器软起动、水电阻/液阻软起动、Y/△软起动、自耦变压器软起动、延边三角形起动、磁控软起动、三相晶闸管调压软起动、两相(或三相)斩波调压软起动、离散分级变频软起动、基于空间电压矢量软起动和变频器用作软起动器等方法。
电子串电阻/电抗软起动、频敏电阻器软起动、水电阻/液态电阻软起动属于同一原理。它们是在三相交流异步电动机的定子绕组回路串联电阻器或电抗器，通过增加定子回路总的阻抗，在三相交流异步电动机定子端电压一定的情况下，达到降低定子电流的目的，待起动完成后切除串联的电阻器或电抗器。Y/△软起动是通过改变三相交流异步电动机定子绕组的连接形式来改变三相输入线电压间的输入阻抗，从而达到降低起动电流的目的。自耦变压器软起动是通过变压器降压来降低三相交流异步电动机定子绕组回路的供电电压，达到降压起动的目的。该方法可连续调节定子端电压，起动过程平缓，但自耦变压器体积大、重量大、占用空间大、成本高。延边三角形起动是在起动时将三相鼠笼异步电动机的一部分定子绕组连接成星形(Y)，另外一部分接成三角形(△)，通过改变输入线电压直接等效阻抗来降低起动电流。磁控软起动原理与定子串电抗器软起动原理相同，只是磁控软起动串入定子绕组回路的电抗器是可变的，它是通过改变电抗器励磁线圈的电流大小来改变电抗器的大小。三相晶闸管调压软起动在三相交流异步电动机定子回路串联双反并联的晶闸管，通过改变晶闸管的导通角来改变三相交流异步电动机的定子端电压，从而达到降低起动电流的目的。因晶闸管是半控器件，在晶闸管触发导通后不再受触发脉冲控制，直到电流下降到零并承受反向电压才能关断。目前三相晶闸管调压软起动占据市场份额的80％以上。两相(或三相)斩波调压软起动在三相交流异步电动机的两相(或三相)定子回路串联双反变了的双极型晶体管(IGBT)，利用IGBT的全控特性，通过斩波调压原理，降低输出电压，从而达到降低起动电流的目的。离散分级变频软起动其原理是在晶闸管调压软起动控制的基础上，通过控制导通的周波数和每个工频周期内导通电压的波形来实现三相交流异步电动机的软起动控制。基于空间电压矢量的三相交流异步电动机软起动控制原理上也属于离散分级变频软起动，只是控制策略和方法不同。离散分级变频软起动由于可选周波有限，输出电压频率只能是离散值(50/nHz，n＝1，2，3…),导通后波形不受控制，负序磁场的影响导致转矩震动较大，起动电流的降低效果有限。目前市场上基于离散分级变频软起动控制的产品较少。变频器在主电路结构上采取整流-滤波-逆变控制，在电压形式上为交流-直流-交流。变频器首先对三相工频(50Hz)输入电压进行整流得到脉动直流电压，经过电解电容器的滤波后得到近似恒定直流电压，最后借助正弦波脉宽调制技术(SPWM)或空间电压矢量脉宽调制技术(SVPWM)输出等高不等宽的三相脉冲电压，在数学上其等效为三相正弦交流电压。变频器通过对三相交流异步电动机输入电压的连续变压变频调节，可达到起动电流小，起动转矩大的目的，是理想的软起动控制方式。但变频器受中间直流环节的限制，输出电压与输入电压在相位上完全不同，起动完成后如果直接把三相交流异步电动机切换到工频电源上，最坏情况下(定子端电压与输入电压反向)，将产生两倍于正常直接起动的冲击电流。虽然可以在变频器结构上增加三相锁相环技术完成同步切换操作，但是变频器本身技术复杂，价格昂贵，再额外增加复杂的三相锁相环技术，目的只是为了完成三相交流异步电动机的软起动控制，这在成本上、效率上都是不可取的。因而实际使用中很少有变频器仅仅用作三相交流异步电机软起动控制的。
综上所述，传统软起动技术以及普通电子式软起动技术受调压调速理论的限制都存在着起动电流大、起动转矩低的问题。分级变频软起动虽然能离散的改变输出电压频率，但是受到晶闸管为半控型器件的限制导致分级变频软起动控制方法有限，实际输出电压频率有限，导通后波形不受控制，转矩震动较大，而较大的谐波电流也使起动电流的降低效果受到影响。变频器用作软起动器不能直接切换到工频电源，而且受到变频器价格高昂的限制，实际中很少有变频器用作交流异步电动机的案例。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种三相交流异步电动机起动电路及其控制方法。
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三相交流异步电动机起动电路，该电路包括整流桥、逆变桥，工频三相输入电压Ua、Ub、Uc经整流桥整流后得到脉动直流电压，所述脉动直流电压经逆变桥逆变输出三相交流电压UA、UB、UC。
上述方案中，该电路还包括依次连接的高频滤波电路、能耗电路、母线电压检测电路，所述高频滤波电路、能耗电路、母线电压检测电路设置在整流桥和逆变器之间。
上述方案中，所述整流桥由二极管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6组成，所述逆变桥由功率开关器件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6及反向二极管VL1、VL2、VL3、VL4、VL5、VL6组成。
上述方案中，所述高频滤波电路由电阻R1和薄膜电容C组成，所述能耗电路由功率开关器件VT7及保护二极管VD7与功率电阻R4组成，所述母线电压检测电路由电阻R2和电阻R3组成。
上述方案中，所述能耗电路、母线电压检测电路之间的一端连接有母线电流检测元件IM。
本发明实施例还提供一种三相交流异步电动机的连续变压变频起动控制方法，该方法为：在变频软起动器完成三相交流异步电动机的软起动功能后，通过当前逆变电压所在扇区和逆变器的开关状态确定切换三相负载中的两相，再接下来的可切换时间段内依次判别是否符合剩余的那一相切换条件，当满足时即可完成该相输入电压的切换操作。
上述方案中，该方法具体为：当直流脉动电压Ud等于输入电压Uab，参考电压矢量Uref在第一扇区，并且逆变器开关状态为V1时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Uac，参考电压矢量Uref在第二扇区，逆变器开关状态为V2时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Ubc，参考电压矢量Uref在第三扇区，逆变器开关状态为V3时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Uba，参考电压矢量Uref在第四扇区，并且逆变器开关状态为V4时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Uca，参考电压矢量Uref在第五扇区，并且逆变器开关状态为V5时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Ucb，参考电压矢量Uref在第六扇区，逆变器开关状态为V6时，变频软起动切换工频输入电压。
上述方案中，每个切换状态持续时间为0.02/12秒。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明能够实现三相交流异步电动机的连续变压变频起动控制，具有起动转矩大，起动电流小，转矩震动小的优点，同时在起动完成后切换到工频电压时具有操作简单，切换冲击小的特点，可用于大功率三相交流异步电动机的重载起动。
附图说明
图1为本发明实施例提供一种三相交流异步电动机起动电路的主电路结构图；
图2为空间电压矢量及扇区分布图；
图3为空间电压矢量合成原理图；
图4为变频软起动器波形分析图；
图5为Ud等于Uab、V1作用时等效电路图；
图6为Ud等于Uab、V2作用时等效电路图；
图7为Ud等于Uac、V3作用时等效电路图。
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三相交流异步电动机起动电路，如图1所示，该电路包括整流桥、逆变桥，工频三相输入电压Ua、Ub、Uc经整流桥整流后得到脉动直流电压，所述脉动直流电压经逆变桥逆变输出三相交流电压UA、UB、UC。
该电路还包括依次连接的高频滤波电路、能耗电路、母线电压检测电路，所述高频滤波电路、能耗电路、母线电压检测电路设置在整流桥和逆变器之间。
所述整流桥由二极管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6组成，所述逆变桥由功率开关器件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6及反向二极管VL1、VL2、VL3、VL4、VL5、VL6组成。
所述高频滤波电路由电阻R1和薄膜电容C组成，所述能耗电路由功率开关器件VT7及保护二极管VD7与功率电阻R4组成，所述母线电压检测电路由电阻R2和电阻R3组成。
所述能耗电路、母线电压检测电路之间的一端连接有母线电流检测元件IM。
本发明实施例还提供一种三相交流异步电动机的连续变压变频起动控制方法，该方法为：在变频软起动器完成三相交流异步电动机的软起动功能后，通过当前逆变电压所在扇区和逆变器的开关状态确定切换三相负载中的两相，再接下来的可切换时间段内依次判别是否符合剩余的那一相切换条件，当满足时即可完成该相输入电压的切换操作。空间电压矢量定义及合成方法。
基于空间电压矢量的基本原理，定义VT1至VT6导通时状态为1，关断时状态为0。因为逆变器的上桥臂和下桥臂的开关状态互补，所以只用上桥臂的三个功率开关器件来描述逆变器的工作状态就足够了，以上桥臂VT1、VT3、VT5的状态为变量(SA、SB、SC)定义8个空间电压矢量V0～V7，如表1所示，分别为：V0＝(SA＝0，SB＝0，SC＝0)，简记为V0或V0(000)，V1＝(SA＝1，SB＝0，SC＝0)，简记为V1或V1(100)，V2＝(SA＝1，SB＝1，SC＝0)，简记为V2或V2(110)，V3＝(SA＝0，SB＝1，SC＝0)，简记为V3或V3(010)，V4＝(SA＝0，SB＝1，SC＝1)，简记为V4或V4(011)，V5＝(SA＝0，SB＝0，SC＝1)，简记为V5或V5(001)，V6＝(SA＝1，SB＝0，SC＝1)，简记为V6或V6(101)，V7＝(SA＝1，SB＝1，SC＝1)，简记为V7或V7(111)。
表1八种开关状态下的空间电压矢量
当期望电压矢量Uref在第一扇区时，矢量合成示意图如图3所示，期望电压矢量Uref可由空间电压矢量V1和V2合成得到。Tp为VT1至VT6的开关周期，T1为V1工作时间大小，T2为V2工作时间大小。按相同方法可以实现对其它扇区期望矢量进行合成。
无电解电容变频软起动工作原理及切换方法：
三相工频(50Hz)输入线电压波形如图4中虚线及实线所示，经三相整流后直流脉动电压Ud波形如图4中实线部分所示。在t1至t2时间段，Uab最大，VD1和VD6导通，其余二极管承受反压关闭，Ud此时等于Uab波形。SVPWM控制器通过检测输入电压Ua正向过零时刻来触发一个定时器，从而计算出t1至t2时间段给定参考电压矢量所在扇区。由此可以判断t1至(t1+t2)/2时段内为第一扇区，(t1+t2)/2至t2时段内为第2扇区。在第1扇区，根据空间电压矢量合成原理，采用电压矢量V1(100)和V2(110)进行矢量合成(如附图3所示)。在空间电压矢量V1作用时，主电路逆变桥导通的开关器件为VT1、VT6和VT2。也就是输入线电压Uab同时加在负载AB相和AC相，此时等效电路如附图5所示。因此，A相、B相负载的相电压分别与输入电压A相、B相电压同相位，幅值上负载A相电压UA大小为2/3的Uab，B相、C相电压大小为1/3的Uab。在空间矢量电压V2工作时，主电路逆变桥导通的开关器件为VT1、VT3和VT2。即输入电压Uab同时加在负载AC相和BC相上，此时等效电路如图附图6所示。负载A相电压与输入电压a相的相位相同，大小为1/3的Uab。负载B相、C相电压与输入电压的b相、c相的相位不同。
同理可分析在(t1+t2)/2至t2时间段内，期望电压矢量在第2扇区，合成矢量选择电压矢量V2(110)和V3(010)。V2工作时前面已经分析。V3工作时主电路逆变桥导通的开关器件为VT4、VT3和VT2，等效电路如附图7所示。此时负载电压与电源电压相位均不相同。
按相同分析方法，可依次对图3中t2至t7的各个时间段进行分析。由此可知，把每个工频周期分为12等分，有6个彼此相隔的时间段内(如图4中的M1到M6区域)，逆变输出电压有两相与工频输入电压保持同相。因此，可选择其中的两个时间段分两次完成三相负载从变频软起动器到工频输入电压的切换。具体方法是，在变频软起动器完成三相交流异步电动机的软起动功能后，通过当前逆变电压所在扇区和逆变器输出状态决定切换三相负载中的哪两相，在接下来的可切换时间段内依次判别是否符合剩余的那一相切换条件，当满足时即可完成该相输入电压的切换操作。
综上可知，变频软起动可切换工频输入电压的条件为：Ud等于Uab，参考电压矢量Uref在第一扇区(图4的M1时间段内)，逆变器开关状态为V1时(100)可进行切换；Ud等于Uac，参考电压矢量Uref在第二扇区(图4的M2时间段内)，逆变器开关状态为V2时(110)可进行切换；Ud等于Ubc，参考电压矢量Uref在第三扇区(图4的M3时间段内)，逆变器开关状态为V3时(010)可进行切换；Ud等于Uba，参考电压矢量Uref在第四扇区(图4的M4时间段内)，逆变器开关状态为V4时(011)可进行切换；Ud等于Uca，参考电压矢量Uref在第五扇区(图4的M5时间段内)，逆变器开关状态为V5时(001)可进行切换；Ud等于Ucb，参考电压矢量Uref在第六扇区(图4的M6时间段内)，逆变器开关状态为V6时(011)可进行切换。每个切换状态持续时间为0.02/12秒，如图4中M1、M2、M3、M4、M5、M6所在区域宽度所示。其它区域为不可切换状态。
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 (2)

1.一种三相交流异步电动机的连续变压变频起动控制方法，包括一种三相交流异步电动机起动电路，该电路包括整流桥、逆变桥，工频三相输入电压Ua、Ub、Uc经整流桥整流后得到脉动直流电压，所述脉动直流电压经逆变桥逆变输出三相交流电压UA、UB、UC；该电路还包括依次连接的高频滤波电路、能耗电路、母线电压检测电路，所述高频滤波电路、能耗电路、母线电压检测电路设置在整流桥和逆变器之间，所述整流桥由二极管VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6组成，所述逆变桥由功率开关器件VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6及反向二极管VL1、VL2、VL3、VL4、VL5、VL6组成，所述高频滤波电路由电阻R1和薄膜电容C组成，所述能耗电路由功率开关器件VT7及保护二极管VD7与功率电阻R4组成，所述母线电压检测电路由电阻R2和电阻R3组成，所述能耗电路、母线电压检测电路之间的一端连接有母线电流检测元件IM，
其特征在于，该方法为：在变频软起动器完成三相交流异步电动机的软起动功能后，通过当前逆变电压所在扇区和逆变器的开关状态确定切换三相负载中的两相，在接下来的可切换时间段内依次判别是否符合剩余的那一相切换条件，当满足时即可完成该相输入电压的切换操作；
该方法具体为：
基于空间电压矢量的基本原理，定义VT1至VT6导通时状态为1，关断时状态为0，以上桥臂VT1、VT3、VT5的状态SA、SB、SC为变量定义8个空间电压矢量V0～V7，分别为：V0为SA＝0、SB＝0、SC＝0，V1为SA＝1、SB＝0、SC＝0，V2为SA＝1、SB＝1、SC＝0，V3为SA＝0、SB＝1、SC＝0，V4为SA＝0、SB＝1、SC＝1，V5为SA＝0、SB＝0、SC＝1，V6为SA＝1、SB＝0、SC＝1，V7为SA＝1、SB＝1、SC＝1；
当直流脉动电压Ud等于输入电压Uab，参考电压矢量Uref在第一扇区，并且逆变器开关状态为V1时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Uac，参考电压矢量Uref在第二扇区，逆变器开关状态为V2时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Ubc，参考电压矢量Uref在第三扇区，逆变器开关状态为V3时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Uba，参考电压矢量Uref在第四扇区，并且逆变器开关状态为V4时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Uca，参考电压矢量Uref在第五扇区，并且逆变器开关状态为V5时，变频软起动切换工频输入电压；当Ud等于Ucb，参考电压矢量Uref在第六扇区，逆变器开关状态为V6时，变频软起动切换工频输入电压。
2.根据权利要求1所述的三相交流异步电动机的连续变压变频起动控制方法，其特征在于：每个切换状态持续时间为0.02/12秒。
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