CN107834909A - 一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，该装置中，空气开关、三相启动电容器和三相整流桥交流输入端串联连接后分别与被控制电机各相导线并联，三相补偿电容器并联连接于三相启动电容器和三相整流桥之间，三相整流桥直流输出端、功率电阻、功率晶体管的集电极和发射极依次串联连接，控制电路并联连接于三相整流桥两端，控制电路的信号输出端与功率晶体管的基极连接。与现有技术相比，本发明具有同时做到既抑制启动电流又不降低启动转矩、有效克服电网电压波动、无谐波干扰、将电机功率因数提升至1左右以及最大限度降低线损等优点。

Description

一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置
技术领域
本发明涉及电机节能控制设备，尤其是涉及一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置。
背景技术
异步电机拖动的生产设备在工业领域大量应用，对于容量较大的异步电机负载，常常采用软启动器实现电机的软启动，然而软启动器存在两个难以弥补的缺点，一是功率因数低，启动时电流波形差、谐波含量大，因此不能配置电容器实现无功补偿，造成线损大幅增加，二是启动转矩小、启动速度慢，软启动器的本质就是降压启动，减小启动电流的同时也使电机启动转矩以平方倍速率大幅降低，造成启动缓慢，对于重要的生产设备，尤其是一些恒转矩负载，以及突发状况需要瞬时启动的负载，如电厂换流站的循环泵等，现有软启动器过慢的启动速度常常造成严重的生产事故。
现有技术存在以下缺点：
1、现有的几种软启动技术几乎所有软启动方案均以牺牲电机启动转矩为代价，造成负载启动缓慢、甚至启动困难，很多换流站发电厂等重要辅机设备，经常遇到主机故障切换至备机的情况，然而现有软启动器启动缓慢，常常导致上述重要设备应启动缓慢而导致的严重事故。为克服这一问题，有时必须使用变频器或绕线转子异步电机，这令设备成本成倍提高；
2、现有技术在启动电机时，虽然大幅降低了电机启动电流，但由于均采用晶闸管斩波调压或自耦变压器调压，这些设备本身为电感性，因此功率因数仍旧很低，虽然启动电流不大，但造成的电网电压瞬间波动常常很明显，有时还是会造成其他敏感电气设备的故障停运；
3、现有软启动器大部分采用晶闸管斩波调压，谐波含量大，谐波已经成为电力系统的一大公害；
4、现有配置软启动器的异步电机，由于晶闸管斩波电路的脉冲状电压，使之不能与电容器配合，加上软启动器的成本，再外部加装电容器成本较高，另外由于电动机的自励问题，电机机端补偿功率因数不能很高，导致现有技术电机线损较大，
5、现有技术软启动器均与被控设备串联，一旦故障直接导致被控电机的停运。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，所述的装置与被控制电机并联连接，所述的装置包括空气开关、三相启动电容器、三相补偿电容器、三相整流桥、控制电路、功率晶体管和功率电阻，所述的空气开关、三相启动电容器和三相整流桥交流输入端串联连接后分别与被控制电机各相导线并联，所述的三相补偿电容器并联连接于三相启动电容器和三相整流桥之间，所述的三相整流桥直流输出端、功率电阻、功率晶体管的集电极和发射极依次串联连接，所述的控制电路并联连接于三相整流桥两端，所述的控制电路的信号输出端与所述的功率晶体管的基极连接；
所述的软启动装置在被控制电机合闸启动瞬间，所述的三相整流桥交流侧瞬时建立三相电压，所述的三相整流桥的直流侧也同时产生电压，所述的控制电路向功率晶体管发出触发信号，所述的功率晶体管导通，三相启动电容器相当于星形连接在三相电源上，进行大容量无功补偿，之后控制电路逐步降低触发电流，使得功率晶体管延时断开，三相补偿电容器与三相启动电容器串联后与被控制电机并联，进行稳态无功补偿。
优选地，所述的控制电路在三相整流桥直流侧电压建立的初始时刻以及三相整流桥直流侧电压高于设定值时发出功率晶体管导通信号并延时切断。
优选地，所述的控制电路包括第一压敏电阻、第二压敏电阻和积分电容，所述的第一压敏电阻和第二压敏电阻串联后并联连接于三相整流桥两端，所述的积分电容与第一压敏电阻并联连接，所述的第一压敏电阻和第二压敏电阻之间设有引出线连接功率晶体管基极。
优选地，所述的三相启动电容器为电解电容器。
优选地，所述的电解电容器各相由两个容量相同直流电解电容同极性串联构成。
优选地，所述的三相启动电容器的各相容量与所控制电机总功率比值为80～150微法/千瓦。
优选地，所述三相补偿电容器的各相容量与所控制电机总功率的比值为8～15微法/千瓦。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、同时做到既抑制启动电流又不降低启动转矩：本发明利用电容器可控补偿原理并联补偿电机启动瞬间的感性无功电流，起到抑制电机电流的同时，由于电机机端电压不变，电机就能以100％全额转矩启动，实现了抑制启动电流与维持启动转矩的兼顾；
2、能有效克服电网电压波动：本发明采用大容量电容器对电网电压进行补偿，因此电机启动时的功率因数很高，甚至可以偏向容性，这能够非常有效地补偿电网电压波动，可使电机启动瞬间的电压波动降低到5％以下，防止电压波动造成的潜在隐患；
3、无谐波干扰：本发明主要依靠线性电容器补偿来抑制启动电流，即使控制的晶体管也工作在线性状态，因此几乎没有谐波干扰，这是现有软启动器或变频器所难以企及的；
4、可大幅度补偿无功功率，将电机功率因数提升至1左右，最大限度降低线损：本发明的特殊电路结构，使配置的补偿电容器可达到全额补偿，因为一旦出现自励过电压，晶体管控制电路导通，通过功率电阻吸收过电压，这样采用全补偿方式，就可做到1的功率因数，使线损降到极限值，从而起到明显节能作用；
5、成本低廉，故障率低：本发明仅有一只功率器件，且只有启动瞬间与可能的过电压状态下才短时工作，此外其他均是不可控无源器件，因此可靠性高，不易故障，且成本低廉，本发明的成本仅25-30元/千瓦，只有现有技术软启动器的一半左右；
6、不降低系统可靠性：本发明在电路结构上与被控制住的电机并联，并有独立的空气开关控制，一旦本发明故障或需要退出运行，直接断开自身空气开关即可，不会引起被控电机的正常运行，现有技术软启动器均与被控设备串联，一旦故障直接导致被控电机的停运，可见本发明绝不会降低系统可靠性，这是现有技术所完全不具备的性能。
附图说明
图1为本发明电路结构示意图。
其中：1、空气开关；2、三相启动电容器；3、三相补偿电容器；4、三相整流桥；5、控制电路；6、功率晶体管；7、功率电阻；R1、第一压敏电阻；R2、第二压敏电阻；C、积分电容。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
本发明提出一种能够全转矩快速启动，同时又能补偿无功功率新型软启动装置，对于现有异步电机启动技术的提升将带来十分重要的意义。
参看附图1，本发明一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置包括空气开关1、三相启动电容器2、三相补偿电容器3、三相整流桥4、功率晶体管6、功率电阻7与控制电路5，空气开关1、三相启动电容器2与三相补偿电容器3分相串联后与所控制的电机三相电源输入端并联，三相整流桥4的交流输入端与所述三相补偿电容器3并联，三相整流桥4的直流输出端、功率晶体管6的集电极与发射极、以及所述功率电阻7依次串联，三相整流桥4的直流输出端与控制电路5的电源输入端相连，控制电路5的信号输出端与所述功率晶体管6的基极相连，控制电路5在三相整流桥4直流侧电压建立的初始时刻、以及三相整流桥4直流侧电压高于设定值时刻发出晶体管导通信号并延时切断。
本发明与被控制的电机为并联关系，当电机合闸启动瞬间，本发明三相启动电容器2通过三相整流桥4、功率晶体管6、功率电阻7构成一个三相整流回路，由于交流侧瞬时建立了三相电压，在整流桥的直流侧也立即产生电压，控制电路5的积分电容C产生充电电流，在第二压敏电阻R2两端产生电压，从而向功率晶体管6发出触发信号，晶体管6导通，由于整流桥直流侧导通，在其交流侧就产生了三相容性电流，功率电阻7由于限制冲击电流，保护功率晶体管6，阻值较小，此时该电路等效为一个直流侧短路的三相整流电路，三相启动电容器2相当于星形连接在三相电源上，由于三相启动电容器容量较大，尤其是采用电解电容，可做到非常大的容量密度，启动电容产生的补偿电流足以将电机启动的感性电流补偿，从而抑制了启动电流，起到软启动作用，因大容量的无功补偿，使电机启动瞬间的功率因数大幅提高，因此造成的电网电压波动也大幅削减。当片刻以后，积分电容C充电过程结束，加在功率晶体管基极的电压降低直至消失，使功率晶体管逐步断开，使补偿电流逐步减小直至断开，只要控制补偿电流的衰减速率与电机启动过程基本一致，就能起到有效地衰减启动电流的作用。功率晶体管完全断开后，与三相整流电路并联的补偿电容器组被接入回路，它容量较小，与原有启动电容器串联后与电机并联，起到稳态无功补偿作用，一旦电机停车出现自励，此时电容器两端电压升高，一旦超过电压设定值，控制电路5中的第一压敏电阻R1击穿，触发功率晶体管6导通，利用功率电阻的阻尼作用快速消耗能量，消除自励，因此其可以采用较大的补偿容量，实现1的高功率因数。
作为优选，本实施例三相启动电容器2为电解电容器。所述电解电容器可以由每相均由两个容量相同直流电解电容的同极性串联组成。作为优选，所述三相启动电容器2的每相容量与所控制电机总功率的比值为80-150微法/千瓦。所述三相补偿电容器3的每相容量与所控制电机总功率的比值为8-15微法/千瓦，这样对于380V电压等级的电机，正好可达到较好的启动与稳态补偿效果。
本实施例的有益效果在于：
同时做到既抑制启动电流又不降低启动转矩。现有的几种软启动技术几乎所有软启动方案均以牺牲电机启动转矩为代价，造成负载启动缓慢、甚至启动困难，很多换流站发电厂等重要辅机设备，经常遇到主机故障切换至备机的情况，然而现有软启动器启动缓慢，常常导致上述重要设备应启动缓慢而导致的严重事故。为克服这一问题，有时必须使用变频器或绕线转子异步电机，这令设备成本成倍提高，本发明利用电容器可控补偿原理并联补偿电机启动瞬间的感性无功电流，起到抑制电机电流的同时，由于电机机端电压不变，电机就能以100％全额转矩启动，实现了抑制启动电流与维持启动转矩的兼顾。
能有效克服电网电压波动。现有技术在启动电机时，虽然大幅降低了电机启动电流，但由于均采用晶闸管斩波调压或自耦变压器调压，这些设备本身为电感性，因此功率因数仍旧很低，虽然启动电流不大，但造成的电网电压瞬间波动常常很明显，有时还是会造成其他敏感电气设备的故障停运，本发明采用大容量电容器对电网电压进行补偿，因此电机启动时的功率因数很高，甚至可以偏向容性，这能够非常有效地补偿电网电压波动，可使电机启动瞬间的电压波动降低到5％以下，防止电压波动造成的潜在隐患。
无谐波干扰。现有软启动器大部分采用晶闸管斩波调压，谐波含量大，谐波已经成为电力系统的一大公害，而本发明主要依靠线性电容器补偿来抑制启动电流，即使控制的晶体管也工作在线性状态，因此几乎没有谐波干扰，这是现有软启动器或变频器所难以企及的。
可大幅度补偿无功功率，将电机功率因数提升至1左右，最大限度降低线损。现有配置软启动器的异步电机，由于晶闸管斩波电路的脉冲状电压，使之不能与电容器配合，加上软启动器的成本，再外部加装电容器成本较高，另外由于电动机的自励问题，电机机端补偿功率因数不能很高，导致现有技术电机线损较大，本发明的特殊电路结构，使配置的补偿电容器可达到全额补偿，因为一旦出现自励过电压，晶体管控制电路导通，通过功率电阻吸收过电压，这样采用全补偿方式，就可做到1的功率因数，使线损降到极限值，从而起到明显节能作用。
成本低廉，故障率低。本发明仅有一只功率器件，且只有启动瞬间与可能的过电压状态下才短时工作，此外其他均是不可控无源器件，因此可靠性高，不易故障，且成本低廉，本发明的成本仅25-30元/千瓦，只有现有技术软启动器的一半左右。
不降低系统可靠性。本发明在电路结构上与被控制住的电机并联，并有独立的空气开关控制，一旦本发明故障或需要退出运行，直接断开自身空气开关即可，不会引起被控电机的正常运行，现有技术软启动器均与被控设备串联，一旦故障直接导致被控电机的停运，可见本发明绝不会降低系统可靠性，这是现有技术所完全不具备的性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，其特征在于，所述的装置与被控制电机并联连接，所述的装置包括空气开关(1)、三相启动电容器(2)、三相补偿电容器(3)、三相整流桥(4)、控制电路(5)、功率晶体管(6)和功率电阻(7)，所述的空气开关(1)、三相启动电容器(2)和三相整流桥(4)交流输入端串联连接后分别与被控制电机各相导线并联，所述的三相补偿电容器(3)并联连接于三相启动电容器(2)和三相整流桥(4)之间，所述的三相整流桥(4)直流输出端、功率电阻(7)、功率晶体管(6)的集电极和发射极依次串联连接，所述的控制电路并联连接于三相整流桥(4)两端，所述的控制电路(5)的信号输出端与所述的功率晶体管(6)的基极连接；
所述的软启动装置在被控制电机合闸启动瞬间，所述的三相整流桥交流侧瞬时建立三相电压，所述的三相整流桥的直流侧也同时产生电压，所述的控制电路(5)向功率晶体管(6)发出触发信号，所述的功率晶体管(6)导通，三相启动电容器(2)相当于星形连接在三相电源上，进行大容量无功补偿，之后控制电路逐步降低触发电流，使得功率晶体管延时断开，三相补偿电容器(3)与三相启动电容器(2)串联后与被控制电机并联，进行稳态无功补偿。
2.根据权利要求1所述的一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，其特征在于，所述的控制电路(5)在三相整流桥(4)直流侧电压建立的初始时刻以及三相整流桥(4)直流侧电压高于设定值时发出功率晶体管导通信号并延时切断。
3.根据权利要求1所述的一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，其特征在于，所述的控制电路(5)包括第一压敏电阻(R1)、第二压敏电阻(R2)和积分电容(C)，所述的第一压敏电阻(R1)和第二压敏电阻(R2)串联后并联连接于三相整流桥两端，所述的积分电容(C)与第一压敏电阻(R1)并联连接，所述的第一压敏电阻(R1)和第二压敏电阻(R2)之间设有引出线连接功率晶体管基极。
4.根据权利要求1所述的一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，其特征在于，所述的三相启动电容器(2)为电解电容器。
5.根据权利要求4所述的一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，其特征在于，所述的电解电容器各相由两个容量相同直流电解电容同极性串联构成。
6.根据权利要求1所述的一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，其特征在于，所述的三相启动电容器(2)的各相容量与所控制电机总功率比值为80～150微法/千瓦。
7.根据权利要求1所述的一种异步电机可控补偿型全转矩节能软启动装置，其特征在于，所述三相补偿电容器(3)的各相容量与所控制电机总功率的比值为8～15微法/千瓦。
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