CN109004865A - 一种双桥臂交直交变频软启动器及控制方法 - Google Patents

一种双桥臂交直交变频软启动器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双桥臂交直交变频软启动器及控制方法，三相交流电源的A相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂交直交变频电路与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相连接。在工频以下调速时，采用双极性的正弦脉宽调制算法实现软启动的连续变频，电机成功启动并达到工频电网频率时改变调制方式，用空间矢量控制算法实现旁路切换控制，从而实现软启动器在电机启动完成后可以自行退出的功能，以解决变频器应用于软启动器不能旁路的问题。本发明的拓扑结构形式减少了变频器的体积和重量，并且两桥臂所采用的器件较少，电路设计简单，降低了成本。

Description

一种双桥臂交直交变频软启动器及控制方法
技术领域
本发明属于交流异步电机启动装置领域，特别涉及一种双桥臂交直交变频软启动器及控制方法。
背景技术
交流异步电机具有诸多特点，所以其被广泛应用于生产生活中，但直接起动时启动电流可达额定电流的5-8倍，甚至更高，这样大的启动电流对电机本身、电网、负载均有不利影响，为了克服启动电流大的弊端我们通常采用降压启动方式启动。
传统的软启动方式存在明显的缺点，即启动过程中会出现二次冲击电流，对负载产生影响，同时由于受电网波动的影响，一旦出现电网电压向下浮动，会引起电机堵转、启动过程接触器带载切换等问题，启动平滑性不好，软启动性能不高。
目前，应用较为广泛的晶闸管反并联降压软启动只能改变电压的有效值而不能改变电压的频率。该方法有两个重要的缺点：一是启动转矩小；二是不能改变定子磁场的转速，启动转差过大，造成电机启动时反转、抖动厉害。
发明内容
为解决上诉问题，本发明提供了一种双桥臂交直交变频软启动器及控制方法。该软启动器综合考虑到软启动器的原理和缺陷，用变频器做软启动器，不仅可以克服不能调频的问题，解决晶闸管反并联降压启动的问题，而且采用双桥臂的交直交变频软启动器，电路中的功率开关器件减少，同样可以实现对电机高效率的软启动，并且可靠性高，成本低。
本发明采取以下的技术内容：
一种双桥臂交直交变频软启动器，包括双桥臂整流桥、电容C、双桥臂逆变桥和微处理器；双桥臂整流桥的出线端与双桥臂逆变桥的进线端通过直流母线相连接，所述的电容C并联在直流母线上；三相交流电源的A相经过双桥臂整流桥及双桥臂逆变桥与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂整流桥及双桥臂逆变桥与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相连接；
所述双桥臂逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串联接触器开关；
所述的电网的输出端、直流母线上以及双桥臂逆变桥的输出端均设置有检测模块，用于检测对应位置的电压与电流；
所述的微处理器与检测模块连接，用于控制双桥臂逆变桥实现软启动器的变频启动。
所述的双桥臂整流桥是由4个二极管构成的双桥臂，其中二极管VD1和二极管VD2构成一组上下桥臂，二极管VD3和二极管VD4构成另一组上下桥臂。
所述的双桥臂逆变桥是由4个并联续流二极管的功率开关管构成，功率开关管V1与功率开关管V2构成一组上下桥臂，功率开关管V3与功率开关管V4构成另一组上下桥臂。
所述的双桥臂逆变桥每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度相差120°。
所述电网A、B两相与电机的U、V两相之间均设置接触器开关K1，双桥臂逆变桥的出线端与电机的U、V两相之间均设置接触器开关K2。
一种双桥臂交直交变频软启动器的控制方法，包括以下步骤：
双桥臂整流桥将三相交流电源中的A相、B相交流电整流成电压恒定的直流电，再用双桥臂逆变桥将直流电变换成频率与电压均可调的交流电给电机供电；通过检测模块对电网电压进行检测，将检测信号传送至微处理器，经过微处理器的输出PWM波实现软启动器的变频启动：
在工频以下调速时，采用双极性的正弦脉宽调制算法实现软启动的连续变频；变频启动的过程中，控制使得频率幅值连续变化，转速平滑提升，满足电机平滑调速的要求；当达到工频时，控制电路采用空间矢量控制算法进而控制电路中相应器件的开通和关断，找到电机两相电流的过零点附近进行切换，从而运用接触器开关将电机直接连接至电网，变频软启动器被旁路。
进一步，电机供电过程具体为：
电机U、V两相的PWM控制共用一个三角形载波Uc，U、V两相的正弦调制信号Uru、Urv依次相差120°，U、V两相IGBT管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制IGBT管V1、V2、V3、V4的通断：
对于U相，当Uru>Uc时，给IGBT管V1以导通信号，给IGBT管V2以关断信号，得到U相的电压；IGBT管V1和IGBT管V2的驱动信号始终式互补，当给IGBT管V1加导通信号时，IGBT管V1导通，或者是并联的二极管VD5续流导通；当给IGBT管V2加导通信号时，IGBT管V2导通，或者是并联的二极管VD6续流导通；
对于V相，当Urv>Uc时，给IGBT管V3以导通信号，给IGBT管V4以关断信号，得到V相的电压；IGBT管V3和IGBT管V4的驱动信号始终式互补，当给IGBT管V3加导通信号时，IGBT管V3导通，或者是并联的二极管VD7续流导通；当给IGBT管V4加导通信号时，IGBT管V4导通，或者是并联的二极管VD8续流导通。
进一步，脉冲宽度调制方式是指，通过改变调制波的频率来改变输出的PWM波形的频率，使电机定子磁场频率与转子转速同步提升，降低启动电流，最终过渡至工频，进而实现变频启动。
进一步，在旁路切换的控制过程中，主回路的IGBT管V1和IGBT管V2，IGBT管V3与IGBT管V4分别构成上下桥臂；当流过U相、V相的电流由正变为负时，电机U相电流和V相电流处于过零点附近，IGBT管V4管关断，IGBT管V3管不能立即导通时，通过续流二极管VD7续流，IGBT管V1管关断，V2管不能立即导通时，通过二极管VD6续流，直至U相、V相之间电流过零并开始反向时，二极管VD6、二极管VD7截至，IGBT管V2、IGBT管V3导通，在二极管VD6、二极管VD7截至的时刻，电机U相电流处于过零点附近，电机V相电流处于过零点附近，从而使得电机U相直接与电网A相相连，电机V相直接与电网B相相连。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的软启动器的主电路由双桥臂整流桥和双桥臂逆变桥部分构成，采用普通的三相全桥整流电路的两个桥臂作为整流部分，采用普通三相电压型桥式逆变电路的两个桥臂作为逆变部分，中间部分采用大电解电容。通过电压电流以及相应的检测电路对电网电压进行检测，将检测信号输送至微处理器，经过微处理器的控制算法从而输出相应的PWM波实现软启动器的变频启动，当软启动器的输出频率达到工频电网频率时控制逆变电路使电机的U相、V相电压具有与电网电压相同频率、幅值与相位，使得在变频器旁路时可因此避免对电网和电机产生电流冲击以及避免对电机产生电磁转矩的冲击。使得变频器在电机启动完成后容易退出，解决了变频器应用于软启动器不能旁路的问题，弥补了有级变频软启动器不能连续变频的缺点。运用接触器开关设计将电机直接接至电网，变频软启动器被旁路，从而实现其不被闲置，一机多用的功能。本发明的拓扑结构形式减少了变频器的体积和重量，并且两桥臂所采用的器件较少，电路设计简单，降低了成本。
采用上述的一种双桥臂交直交变频软启动器的控制方法，将电网的A相、B相交流电整流成电压恒定的直流电，再用逆变器将直流电压变换成频率与电压均可调的交流电，并且采用脉宽调制与空间矢量算法相结合的方式实现变频与旁路，不仅改善了普通的调压软启动和限流软启动不能变频的缺点，而且可以通过逆变电路部分实现连续变频，变频软启动器在电机成功启动完成后可以自行退出。
附图说明
图1为一种双桥臂交直交变频软启动器的控制电路图；
图2为双桥臂变频电路双桥臂整流桥的输出电压波形图；
图3为加入电容后的直流母线电压波形图；
图4为双桥臂变频电路双桥臂逆变桥的输出电压波形图；
图5为双桥臂变频电路双桥臂逆变桥的输出电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
参照附图1所示，本发明一种双桥臂交直交变频软启动器，包括双桥臂整流桥、电容C、双桥臂逆变桥和微处理器；双桥臂整流桥的出线端与双桥臂逆变桥的进线端通过直流母线相连接，所述的电容C并联在直流母线上；三相交流电源的A相经过双桥臂整流桥及双桥臂逆变桥与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂整流桥及双桥臂逆变桥与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相连接；双桥臂逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串联接触器开关；电网的输出端、直流母线上以及双桥臂逆变桥的输出端均设置有检测模块，用于检测对应位置的电压与电流；微处理器与检测模块连接，用于控制双桥臂逆变桥实现软启动器的变频启动。
电网两相电压经过整流电路，得到的电压波形如附图2所示，电压为因为电容作为储能元件，具有隔直通交，阻低频通高频的作用，对电压起平滑作用，所以在单相桥式整流电路后接滤波电容，以减小整流电压的脉动程度，来满足稳压电路的需求，所以经过具有滤波电容的不可控整流电路得出的波形如附图3所示，电压的平均值2.34U2～2.45U2之间变化，其中U2的平均值为220V。再用逆变器将直流电压变换成频率和电压均可调的交流电。
进一步的，如附图2所示，双桥臂整流桥的输入端A相、B相电压UA和UB，当UA电压>UB电压时，二极管VD1和二极管VD4导通；当UA电压<UB电压时,二极管VD3和二极管VD2导通；得到的直流电压经过与直流母线并联的大电容，得到较稳定的直流电压。这里在双桥臂整流电路和双桥臂逆变电路中间的大电容，具有很好的滤波作用，当电压交变时，由于电容的充放电作用，两端的电压不能突变，就保证了电压的平稳。如附图3所示，是没有加大电容，双桥臂整流桥的输出电压脉动大，经过双桥臂整流部分和大电容部分，得到的直流电压U，如附图4所示，电压脉动小，将直流母线上的电压U作为双桥臂逆变电路的输入电压。
进一步的，双桥臂逆变桥由两个单相的逆变电路组成，采用IGBT作为开关器件，双桥臂逆变电路的基本工作方式仍采用180°导电方式，每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度相差120°。下面分析双桥臂电压型逆变电路的工作过程，如图4所示,得到U、V两相的输出电压UN、VN：
对于U相，当IGBT管V1导通时，UN的电压为1/2U,当IGBT管V2导通时，UN的电压为–1/2U。
对于V相，当IGBT管V3导通时VN的电压为1/2U,当IGBT管V4导通时，VN的电压为–1/2U。
通过电压电流的检测电路对电网电压进行检测，将检测信号传输至微处理器从而输出相应的PWM波实现软启动器的变频启动。
本发明一种双桥臂交直交变频软启动器的控制方法如下所示：
采取双极性的正弦脉宽调制，双极性的正弦脉宽调制原理为：调制信号Ur为正弦波，载波Uc在调制信号Ur的半个周期内为有正、有负的三角波，所以，所得的PWM波也是有正有负的，在调制信号Ur的一个周期内输出的PWM波只有±Ud两种电平，没有零电平。改变调制信号的频率，使输出的电压波形频率随之改变，从而控制电压大小。
对于双桥臂交直交变频软启动器中的双桥臂逆变桥，U、V两相的PWM控制共用一个三角形载波Uc，U、V两相的正弦调制信号Uru、Urv依次相差120°，U、V两相IGBT管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制IGBT管V1、V2、V3、V4的通断。
对于U相，当Uru>Uc时，给IGBT管V1以导通信号，给IGBT管V2以关断信号，这时可得U相的电压。IGBT管V1和IGBT管V2的驱动信号始终式互补的，当给IGBT管V1加导通信号时，可能是V1导通，也可能是并联的二极管VD5续流导通；当给IGBT管V2加导通信号时，可能是V2导通，也可能是并联的二极管VD6续流导通。
对于V相，当Urv>Uc时，给IGBT管V3以导通信号，给IGBT管V4以关断信号，这时可得V相的电压。IGBT管V3和IGBT管V4的驱动信号始终式互补的，当给IGBT管V3加导通信号时，可能是V3导通，也可能是并联的二极管VD7续流导通；当给IGBT管V4加导通信号时，可能是V4导通，也可能是并联的二极管VD8续流导通。
进一步的，虽然同一相上下两个桥臂的PWM驱动信号是互补的，在实际中为了防止上下两个IGBT管直通而造成短路，在上下两个IGBT管通断切换时要留一小段上下两个IGBT管关断信号的死区时间。
利用脉宽调制算法实现软启动器的变频启动，通过改变调制波的频率来改变输出PWM波形的频率，即控制变频器的输出频率，使电机定子磁场频率与转子转速同步提升，相对传统调压软启动器减小转差率，降低启动电流，最终过渡至工频。变频启动的过程可以根据具体需要采用恒压频比、矢量控制和直接转矩等控制方法，使得频率幅值连续变化，转速平滑提升，满足电机平滑调速的要求。
当软启动器输出频率达到工频电网频率时控制逆变电路使电机的三相电压具有与电网电压相同的频率、幅值与相位，使得在变频器旁路时可以因此避免对电网和电机产生电流冲击以及避免对电机产生电磁转矩的冲击。
变频软启动器旁路切换的控制过程，如附图5所示，图1主电路结构中逆变电路的4个IGBT管导通的顺序依次为：
V1V4-V1二极管VD7-二极管VD6二极管VD7-V3V2-V2二极管VD8-二极管VD8二极管VD5-V1V4。即设在t1时刻前V1和V4导通，输出电压u为正，t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截至，而因电机的感性负载，电流不能突变，V3不能立即导通，二极管VD7导通续流。因为V1和二极管VD7同时导通，所以输出电压为0。到t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截至，而V2不能立即导通，二极管VD6导通续流，和二极管VD7构成电流通道，输出电压为负。到电机负载电流过零并开始反向时，二极管VD6和二极管VD7截至，V2和V3开始导通，输出电压u仍为负。t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截至，而V4不能立即导通，二极管VD8导通续流，输出电压u再次为0。到t4时刻V1和V2栅极信号反向，V2截至，V1不能立即导通，二极管VD5导通续流，和二极管VD8构成电流通道，输出电压为正。到电机负载电流过零并开始反向时，二极管VD5和二极管VD8截至，V1和V4开始导通。以后的过程跟前面类似。
进一步的，当流过U相、V相的电流由正变为负时，电机U相电流和V相电流处于过零点附近，即IGBT管V4管关断，V3管不能立即导通时，通过二极管VD7续流，V1管关断，V2管不能立即导通时，通过二极管VD6续流，直至U相、V相之间电流过零并开始反向时，二极管VD6、二极管VD7截至，V2、V3导通，因此在二极管VD6、二极管VD7截至的时刻左右，电机U相电流处于过零点附近，电机V相电流处于过零点附近，所以闭合K1并关断K2，从而使得电机U相直接与A相相连，电机V相直接与电网B相相连。
至此，三相电压从变频软启动器完成旁路切换过程，从而实现软启动器在电机启动完成后可以自行退出的功能，以解决变频器应用于软启动器不能旁路的问题，弥补了现有有级变频软启动器不能连续变频的缺点。
尽管以上结合附图对本发明的具体实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的、而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明的权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种双桥臂交直交变频软启动器，其特征在于：包括双桥臂整流桥、电容C、双桥臂逆变桥和微处理器；双桥臂整流桥的出线端与双桥臂逆变桥的进线端通过直流母线相连接，所述的电容C并联在直流母线上；三相交流电源的A相经过双桥臂整流桥及双桥臂逆变桥与三相交流异步电动机的U相连接，三相交流电源的B相经过双桥臂整流桥及双桥臂逆变桥与三相交流异步电动机的V相连接，三相交流电源的C相与三相交流异步电动机的W相连接；
所述双桥臂逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串联接触器开关；
所述的电网的输出端、直流母线上以及双桥臂逆变桥的输出端均设置有检测模块，用于检测对应位置的电压与电流；
所述的微处理器与检测模块连接，用于控制双桥臂逆变桥实现软启动器的变频启动。
2.根据权利要求1所述的一种双桥臂交直交变频软启动器，其特征在于：所述的双桥臂整流桥是由4个二极管构成的双桥臂，其中二极管VD1和二极管VD2构成一组上下桥臂，二极管VD3和二极管VD4构成另一组上下桥臂。
3.根据权利要求1所述的一种双桥臂交直交变频软启动器，其特征在于：所述的双桥臂逆变桥是由4个并联续流二极管的功率开关管构成，功率开关管V1与功率开关管V2构成一组上下桥臂，功率开关管V3与功率开关管V4构成另一组上下桥臂。
4.根据权利要求3所述的一种双桥臂交直交变频软启动器，其特征在于：所述的双桥臂逆变桥每个桥臂的导电角度为180°，同一相上下两个臂交替导电，各相开始导电的角度相差120°。
5.根据权利要求1所述的一种双桥臂交直交变频软启动器，其特征在于：所述电网A、B两相与电机的U、V两相之间均设置接触器开关K1，双桥臂逆变桥的出线端与电机的U、V两相之间均设置接触器开关K2。
6.一种如权利要求1至5任意一项所述的双桥臂交直交变频软启动器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
双桥臂整流桥将三相交流电源中的A相、B相交流电整流成电压恒定的直流电，再用双桥臂逆变桥将直流电变换成频率与电压均可调的交流电给电机供电；通过检测模块对电网电压进行检测，将检测信号传送至微处理器，经过微处理器的输出PWM波实现软启动器的变频启动：
在工频以下调速时，采用双极性的正弦脉宽调制算法实现软启动的连续变频；变频启动的过程中，控制使得频率幅值连续变化，转速平滑提升，满足电机平滑调速的要求；当达到工频时，控制电路采用空间矢量控制算法进而控制电路中相应器件的开通和关断，找到电机两相电流的过零点附近进行切换，从而运用接触器开关将电机直接连接至电网，变频软启动器被旁路。
7.根据权利要求6所述的一种双桥臂交直交变频软启动器的控制方法，其特征在于，电机供电过程具体为：
电机U、V两相的PWM控制共用一个三角形载波Uc，U、V两相的正弦调制信号Uru、Urv依次相差120°，U、V两相IGBT管控制规律相同，在调制信号Ur和载波Uc的交点处控制IGBT管V1、V2、V3、V4的通断：
对于U相，当Uru>Uc时，给IGBT管V1以导通信号，给IGBT管V2以关断信号，得到U相的电压；IGBT管V1和IGBT管V2的驱动信号始终式互补，当给IGBT管V1加导通信号时，IGBT管V1导通，或者是并联的二极管VD5续流导通；当给IGBT管V2加导通信号时，IGBT管V2导通，或者是并联的二极管VD6续流导通；
对于V相，当Urv>Uc时，给IGBT管V3以导通信号，给IGBT管V4以关断信号，得到V相的电压；IGBT管V3和IGBT管V4的驱动信号始终式互补，当给IGBT管V3加导通信号时，IGBT管V3导通，或者是并联的二极管VD7续流导通；当给IGBT管V4加导通信号时，IGBT管V4导通，或者是并联的二极管VD8续流导通。
8.根据权利要求6所述的一种双桥臂交直交变频软启动器的控制方法，其特征在于，脉冲宽度调制方式是指，通过改变调制波的频率来改变输出的PWM波形的频率，使电机定子磁场频率与转子转速同步提升，降低启动电流，最终过渡至工频，进而实现变频启动。
9.根据权利要求6所述的一种交直交变频软启动器的控制方法，其特征在于，在旁路切换的控制过程中，主回路的IGBT管V1和IGBT管V2，IGBT管V3与IGBT管V4分别构成上下桥臂；当流过U相、V相的电流由正变为负时，电机U相电流和V相电流处于过零点附近，IGBT管V4管关断，IGBT管V3管不能立即导通时，通过续流二极管VD7续流，IGBT管V1管关断，V2管不能立即导通时，通过二极管VD6续流，直至U相、V相之间电流过零并开始反向时，二极管VD6、二极管VD7截至，IGBT管V2、IGBT管V3导通，在二极管VD6、二极管VD7截至的时刻，电机U相电流处于过零点附近，电机V相电流处于过零点附近，从而使得电机U相直接与电网A相相连，电机V相直接与电网B相相连。
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