CN200987128Y

CN200987128Y - 高性能可控感抗交流电动机起动装置

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Publication number: CN200987128Y
Application number: CN 200620036786
Authority: CN
Inventors: 吴加强
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2016-12-25

Abstract

本实用新型提供了一种高性能可控感抗交流电动机起动装置，该装置是由绝缘框架式三相可控饱和电抗器与IGBT直流调感器组成，电抗器由工作绕组和控制绕组的布置与绝缘框架形式构成，IGBT直流调感器，采用PWM控制技术，由IGBT元件对控制绕组电源变换后作斩波调压调节去调节电抗器的感抗变化，从而控制电机起动电流的大小，实现电机的软起动、软停止。本实用新型控制精度高；具有高耐压、制造简单、耗料少、易制作、造价低；具有可靠性高、效率高、故障率低、无谐波污染、噪声低，极易制造中、高电压电机起动装置等的优点。

Description

高性能可控感抗交流电动机起动装置

技术领域

本实用新型涉及一种对交流电动机进行起动控制的电气设备，尤其是涉及一种高性能可控感抗交流电动机起动装置。

背景技术

由于交流电动机的旋转特性，在电动机的使用中若采取直接起动方式，起动电流为额定电流的4～7倍，起动电流对电网的冲击，严重影响电网质量。中、大容量电动机的起动一直是人们关心的一个课题，因此人们不断的研制各种起动方法来克服直接起动带来的诸多弊端。

通常在电动机回路，通过串如有限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动，它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动，以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动，饱和电抗器为限流器件的磁控软起动。目前，在强调对电网质量要求和对电动机的高性能起动要求中，因变频器造价昂贵与谐波污染问题对无需调速的设备其投资意义不大。软起动技术方式可以具有完全满足电网、电机与低造价要求的控制研发途径。但现在已有的(磁控)可变电抗软起动器产品初步进入市场，使用效果不理想，推广应用困难。以目前国内相关技术专利(中国专利ZL02282023.X中高压大功率交流电动机磁控软起器和中国专利ZL93232744.3磁控式异步电动机软起动器)技术上还存在以下不足：

1、磁饱和电抗器采用双“C”铁磁料，交直流混合励磁的结构形式，磁通磁路长，每相磁通不同心，直流组线圈直径大。便有高功耗、体积大、耗料多，制造成本高、结构复杂、制造困难，在制造高电压产品的绝缘处理难度大就更为突出其不足；

2、磁饱和电抗器采用直流励磁绕组将三相的六个交流绕组和六个铁心柱包围在里面，直流励磁功率自损耗大，效率极低，漏感极大，高压交流电源中含有直流分量和大量的谐波分量，引起电抗器振动大和电动机振动大、噪音大。为此有磁控软起动装置中还需加装输出滤波器。

3、采用的是可控硅调压的电流型直流励磁方式和LC谐振励磁方式，可控硅元件存在不能任意开关的缺陷，调压波动大、调节范围窄、直流纹波大，响应速度慢、动态控制性能差，电流脉动大，谐滤含量高、造成电抗器振动和电动机振动、噪音大，起动力矩小，常有造成电机起动失败等不足；

4.在高压电机应用中，由于高压绝缘问题难解决，磁控软起动器一般接在电动机星点处降压使用，开关关合时，全电压加在电动机绕组的首端，产生操作过电压情况与全压直接起动的情况是一样的，会对电动机绝缘造成很大的伤害等不足。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有产品技术还存在不足的问题，提供一种高性能可控感抗交流电动机起动装置。

本实用新型为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种高性能可控感抗交流电动机起动装置，绝缘框架将三相可控饱和电抗器铁心上的各个绕组隔离，所述三相可控饱和电抗器的控制绕组与IGBT直流调感器连接。

所述三相可控饱和电抗器采用三付“EI”形铁心，交流高压工作绕组与直流/交流控制绕组分别布置，用一个公共的直流线圈公共绕在三相的三个铁心中心柱上或将3个绕组分别布置在各相铁心的三个铁心中心柱上，六个交流高压工作绕组分别布置在各相铁心的六个边柱上，用一个绝缘框架将各个绕组分别作高低电压绕组的分格隔离构成绝缘框架式高压型。

所述可控饱和电抗器采用一付“EI”铁心构成绝缘框架式三相可控饱和电抗器低压型。

所述可控饱和电抗器采用全“I”形铁心。

所述可控饱和电抗器采用由三个单相绝缘框架式电抗器组成绝缘框架式三相可控饱和电抗器。

所述可控饱和电抗器的控制绕组可制作为直流、交流兼用性的3个控制绕组。

所述IGBT直流调感器为电子开关调节器，构成有“交流变直流斩波调节直流”和“交流变直流斩波调节交流”两种可选用的控制方式。

所述IGBT直流调感器采用电子可关断功率IGBT元件来构成斩波调节器或采用IGCT功率元件来构成斩波调节器。

所述IGBT直流调感器上连接有过电压泄放器。

所述IGBT直流调感器上连接有对交流电动机运行参数的动态进行闭环控制的电传感器。

在本实用新型高性能可控感抗交流电动机起动装置是由一个绝缘框架式的三相可控饱和电抗器结构形式与IGBT直流调感器组成。是基于可控饱和电抗器交流绕组的电感L与铁芯的导磁率成正比，调节可控饱和电抗器起动装置交流绕组(工作绕组)电感或电抗的方法是通过改变铁芯的直流励磁改变铁芯的导磁率，为直流(励磁)电流控制。这种可控感抗起动装置，是利用可控饱和电抗器特点，可输入直流小功率的信号来控制大的交流功率的功率放大功能原理。

本实用新型中绝缘框架式的三相可控饱和电抗器结构形式：可控饱和电抗器可以采用“EI”形铁心，交流高压工作绕组与直流/交流控制绕组分别布置，用一个公共的直流线圈控制的方法是将公共在三相的三个铁心中心柱围圈上(用直流/交流控制3绕组的方法是将其3个绕组分别布置在各相铁心的三个铁心中心柱上)，六个交流高压工作绕组分别布置在各相铁心的六个边柱上，用一个绝缘框架将各个绕组分别作高低电压绕组的分格隔离构成的绝缘框架式高压型；也可用一付“EI”形铁心构成绝缘框架式三相可控饱和电抗器低压型；可控饱和电抗器也可以采用全“I”形铁心；可控饱和电抗器也可以采用由三个单相绝缘框架式电抗器组成绝缘框架式三相可控饱和电抗器。本实用新型具有高强绝缘的电压隔离、兼用性强、使用灵活、体积小、耗料少、效率高、特别适用于在高电压工作条件中的特点。

本实用新型中的高性能IGBT直流调感器，采用IGBT开关元件与数字式高性能PWM控制方式，实现对可控饱和电抗器采取直流调压/调感抗的调节电路。它是利用IGBT器件具有高放大倍数和可任意开关的优点，采取PWM高频率斩波调制方式来构成直流调压/调感抗的调节器，具有低功耗，控制响应速快，控制精度高的特性。调节输出直流电压的高低变化，得到调节三相可控饱和电抗器的感抗大小变化，从而控制了交流电动机起动电流的大小，达到对电机的进行软起动和转速变化的控制目的。

本实用新型中通过三相可控饱和电抗器与IGBT直流调感器的两种不同连线方法，便构成两种调节电抗器的感抗方式即：

交流-直流-直流方式(过程为，交流变直流，直流调节直流)

交流-直流-交流方式(过程为，交流变直流，直流调节交流)

本实用新型的一种高性能可控感抗交流电动机起动装置，具有突跳、斜坡大力矩高性能的电动机软起动控制方式、技术先进、感抗值调节范围宽，动态性能优、控制精度高。具有高耐压、制造简单、耗料少、易制作、造价低；具有可靠性高、效率高、故障率低、无谐波污染、噪声低，极易制造中、高电压大功率电动机起动装置等的优点。特别无需打开电机星形点使用是低中、高压大功率异步电动机与同步电动机软起动的理想装置。产品市场前景广阔，具有可获得巨大的企业经济效益和社会效益应用价值。

下面结合附图和实施对本实用新型做进一步详细说明。但本实用新型的内容并不仅限于本实施例。

附图说明

图1是本实用新型的绝缘框架式的三相可控饱和电抗器的第一种结构形式示意图，即电抗器采用公共直流绕组调感结构形式示意图，同时作为本实用新型的第1个实施例；

图2是本实用新型的三相可控饱和电抗器公共直流绕组调感电路接线示意图；

图3是本实用新型的三相可控饱和电抗器的第二种结构形式示意图，即电抗器采用直流/交流3个绕组调感结构形式示意图，同时作为本实用新型的第2个实施例；

图4是本实用新型的三相可控饱和电抗器直流/交流3个绕组调感电路接线示意图，本实用新型的第1个实施例也可使用此图4这种接线形式；

图5是本实用新型实施例1和实施例2的装置主电路图；

图6是IGBT直流调感器(交流-直流-直流方式)调节电路图，即本实用新型应用实施例1中的三相可控饱和电抗器结构形式的电路图；

图7是IGBT直流调感器(交流-直流-交流方式)调节电路图，即本实用新型应用实施例2中的三相可控饱和电抗器结构形式的电路图。

图中：

1为“E”形铁心，2为“I”形铁心，3为绝缘框架，4为绝缘框架式三相可控饱和电抗器，

5为IGBT直流调感器，6为电传感器，7为装置系统，8为电动机，9为三相整流桥，

10为IGBT电子斩波调压器，11过电压泄放器，12为PWM驱动器，13为控制单元。

具体实施方式

实施例1：(交流-直流-直流方式)

见图1、图2、图4、图5、图6所示：一种高性能可控感抗交流电动机起动装置7是由绝缘框架式三相可控饱和电抗器4来隔离高压和低压工作绕组。三相可控饱和电抗器4采用“EI”形铁心，交流高压工作绕组ACL与直流/交流控制绕组DCL分别布置，它是采用公共直流绕组方式，用一个公共的直流线圈DCL公共绕在三相的三个铁心的中心柱上，六个交流高压工作绕组ACL分别布置在各相铁心的六个边柱上，用一个绝缘框架3将各个绕组分别作高低电压绕组的分格隔离构成绝缘框架式高压型。可控饱和电抗器直流绕组DCL直接与IGBT直流调感器5的正、负端相连接。(采用直流/交流3个绕组方式时(见图4)，先“绕组并联式接法”，将3个直流线圈R、S、T并接成为一个端点、三个同名端并接为一个端点，作并联连接，做成可控饱和电抗器直流绕组DCL后直接与IGBT直流调感器5的正、负端相连接)。电传感器6与控制单元13相连接，饱和电抗器交流绕组按(图2)中标记连接，A、B、C端接高压三相输入U-AC电源，a.b.c端与电动机8相连接。绝缘框架3采用绝缘材料板制作，高耐压胶料粘接构造。

同时所述可控饱和电抗器4也可以采用一付“EI”铁心构成绝缘框架式三相可控饱和电抗器低压型，也可以采用全“I”形铁心，也可以采用由三个单相绝缘框架式电抗器组成绝缘框架式三相可控饱和电抗器。可控饱和电抗器4的控制绕组DCL可制作为直流、交流兼用性的3个控制绕组。所述IGBT直流调感器为电子开关调节器，构成有“交流变直流斩波调节直流”和“交流变直流斩波调节交流”两种可选用的控制方式。IGBT直流调感器采用电子可关断功率IGBT元件来构成斩波调节器或采用IGCT功率元件来构成斩波调节器。所述IGBT直流调感器5上连接有过电压泄放器11。所述IGBT直流调感器5上连接有对交流电动机运行参数的动态进行闭环控制的电传感器6。

可控感抗交流电动机起动装置7，(交流-直流-直流方式调节电路)(图6)主回路是由输入电源开关AQM、可控饱和电抗器的高压端交流绕组与旁路切换接触器AKM，构成的可控感抗交流电动机起动装置主电路(图5)，图中8为被起动电动机。

装置控制电路组成，由可控饱和电抗器4低压端的直流绕组和由控制电源输入接触器DKM、三相整流桥9、电容C1、C2电阻R2、R3、过电压泄放器TV2、电阻R5、二极管D、控制单元13、PWM驱器12、IGBT(TV1)开关元件构成IGBT直流调感器(交流-直流-直流方式调节电路)(图6)、电传感器6组成装置的控制电路。

其工作原理是利用饱和电抗器具有对其控制线圈中输入变化的直流或交流低频小功率信号，工作线圈感抗随之会发生数十倍变化，交流输出功率随之也会发生数十倍变化的功率放大特点，采用以可关断IGBT电子开关元件为主构成的作直流励磁调压调感控制器，对电动机8的起动、停止作限流调节控制。工作方式是起动时首先投入可控饱和电抗器(图2)直流励磁电流，使可控饱和电抗器转化为最大电感特性，呈现对高压交流电源产生电压高阻抗作用，使其通过的电压降低，电流很小，输出功率小，让主回路先呈现为电动机投入起动的起始电流预设定值的感抗度。然后投入电源开关(AQM)输入三相交流电源(3-AC)，电源被通到三相可控饱和电抗器(图2)高压交流工作绕组A、B、C输入端(此时，旁路切换接触器(AKM)主触点为常开)，经三相可控饱和电抗器降压后由a、b、c输出去驱动电动机8开始起动。同时，IGBT直流调感器(图6)根据电传感器6检测的反馈信号参数经控制单元13运算输出，经PWM驱器12去驱动IGBT(TV1)的开关对输入直流电源进行斩波调节的直流电压慢慢地衰减，可控饱和电抗器电感慢慢减小，感抗随之减小，电机端电压逐步升高。待电机电压升到近电源电压额定值时，旁路切换接触器(AKM)动作，可控饱和电抗器被接触器旁路，电动机运行在工频电网电源上。软停止时，当控制器收到停止指令后，投入可控饱和电抗器最大直流励磁电流，使可控饱和电抗器转化为最小电感特性，呈现对高压交流电源电压低感抗，此时断开旁路接触器(AKM)，由电抗器进入工作，调节直流电压慢慢地上升，电抗器电感慢慢变大，感抗随之增大，电机端电压逐步降低。待电机电压降到预设的停止电压值时，断开电源开关(AQM)，电动机电源被切断停止转动。电动机起动的加速和减速时间是按预设定的速度与时间斜坡执行软起、软停。IGBT直流调感器(图6)是将输入的三相交流控制电源(3-AC1)，通过三相整流桥9全波整流，经电容C1、C2，电阻R2、R3滤波成稳定的电压型直流电源。由控制单元13对运行电参数闭环的模型算法产生控制其改变直流绕组上的电压信号。控制单元13发出数字式高性能PWM工作模式信号，经PWM驱器12去驱动IGBT(TV1)的开关对输入直流电源进行斩波电压调节，输出可控电压范围的直流电源经平波电感L和电容C3滤波，输出精确可变直流电源参数去控制直流绕组中直流电流的大小，使电抗器的电感量发生变化，以此就改变可控饱和电抗器感抗值的大小，电动机定子端电压得到高低的控制改变，从而控制了交流电动机起动电流的大小，达到对电机的进行软起动和转速变化的控制目的。当在对电机软起动或软停止的过程中，高压交流侧会对直流侧绕组产生一个零序分量，造成直流共模电压，将会影响IGBT直流调感器的安全，过电压泄放器是当控制单元检测到共模电压超预设值时，泄放调节器将共模过压能量对地泄放。在图6中电阻R5为电抗器去励后的剩磁能量泄放作用。(TV2)中内含的二极管与外部的二极管D构成直流线圈的续流通路，接触器DKM电阻构成对IGBT直流调感器回路软上电限流器。(图5)中电传感器6对电机工作的电压电流作在线检测，将所得信号送控制器作对交流电动机运行参数的动态闭环控制和运行参数显示。该实施具有低成本，可旁路离线工作方式特点。该实施装置具有可离线选择工作方式特点。缺点是不能在线调压调速。

实施例2：(交流-直流-交流方式)

见图3、图4、图5、图7所示：一种高性能可控感抗交流电动机起动装置7的电气结构组成是由可控饱和电抗器的构造是由绝缘框架式可控三相饱和电抗器4的结构形式(图3)来隔离高压和低压工作绕组。三相可控饱和电抗器4采用“EI”形铁心，交流高压工作绕组ACL与直流/交流控制绕组DCL分别布置，将直流/交流控制3绕组DCL分别布置在各相铁心的三个铁心中心柱上，六个交流高压工作绕组ACL分别布置在各相铁心的六个边柱上，用一个绝缘框架3将各个绕组分别作高低电压绕组的分格隔离构成绝缘框架式高压型。即采用(图4)三相可控饱和电抗器直流/交流3个绕组方式，可控饱和电抗器的交流控制绕组先接法为将3个交流线圈三个同名端并接成一个点，构成三相交流星形点，线端R、S、T分别与IGBT直流调感器(交流-直流-交流方式)调节电路图7中的R、S、T端点相连接)。电传感器6与控制单元13相连接，可控饱和电抗器交流绕组按(图4)中标记连接，ACL1～3组的A、B、C端接高压三相输入U-AC电源，ACL4～6组的a.b.c端与电动机8相连接。绝缘框架3采用绝缘材料板制作，高耐压胶料粘接构造。

同时所述可控饱和电抗器4也可以采用一付“EI”铁心构成绝缘框架式三相可控饱和电抗器低压型，也可以采用全“I”形铁心，也可以采用由三个单相绝缘框架式电抗器组成绝缘框架式三相可控饱和电抗器。可控饱和电抗器4的控制绕组(DCL)可制作为直流、交流兼用性的3个控制绕组。所述IGBT直流调感器为电子开关调节器，构成“交流变直流斩波调节交流”的控制方式。IGBT直流调感器采用电子可关断功率元件来构成斩波调节器或采用IGCT功率元件来构成斩波调节器。所述IGBT直流调感器5上连接有对交流电动机运行参数的动态进行闭环控制的电传感器6。

装置主电路构成，可控感抗交流电动机起动装置7，(交流-直流-交流方式调节电路)(图7)主回路是由输入电源开关(AQM)、可控饱和电抗器的高压端交流绕组与旁路切换接触器(AKM)，构成的可控感抗交流电动机起动装置主电路(图5)，图中8为被起动电动机。

工作原理是利用饱和电抗器具有对其控制线圈中输入变化的直流或交流低频小功率信号，工作线圈感抗随之会发生数十倍变化，交流输出功率随之也会发生数十倍变化的功率放大特点，采用以可关断IGBT电子开关元件为主构成的作交流励磁调压调感控制回路，对电动机8的起动、停止作限流调节控制。工作方式是起动时首先投入电源开关(AQM)输入三相交流电源(3-AC)，电源被通到三相可控饱和电抗器(图4)高压交流工作绕组的A、B、C输入端(此时，旁路切换接触器(AKM)主触点为常开，饱和电抗器呈高感抗状态)，经三相可控饱和电抗器降压后由a、b、c输出去驱动电动机8开始起动。在电源开关(AQM)上电的同时，IGBT直流调感器(图7)高速地按电传感器6检测的反馈信号参数经控制单元13运算输出，经PWM驱器12去驱动IGBT(TV1)的开关对输入直流电源进行斩波调节，使得可控饱和电抗器(图4)交流控制绕组的交流电压慢慢地降低，可控饱和电抗器电感慢慢减小，感抗随之减小，电机端电压逐步升高。待电机电压升到近电源电压额定值时，旁路切换接触器(AKM)动作，可控饱和电抗器被接触器旁路，电动机运行在工频电网电源上。软停止时，当控制器收到停止指令后，投入可控饱和电抗器最大交流励磁电流，使可控饱和电抗器转化为最小电感特性，呈现对高压交流电源电压低感抗，此时断开旁路接触器(AKM)，由电抗器进入工作，调节交流电压慢慢地上升，电抗器电感慢慢变大，感抗随之增大，电机端电压逐步降低。待电机电压降到预设的停止电压值时，断开电源开关(AQM)，电动机电源被切断停止转动。电动机起动的加速和减速时间是按预设定的速度与时间斜坡执行软起、软停。IGBT直流调感器(图7)是通过饱和电抗器低压交流绕组自给的交流电源(3-AC2)由IGBT直流调感器R.S.T输入，经三相整流桥9全波整流、电容C滤波，由控制单元13对运行电参数闭环的模型算法产生控制其改变直流绕组上的电压信号。控制单元13发出数字式高性能PWM工作模式信号，经PWM驱器12去驱动IGBT(TV1)的开关对输入的直流电源进行斩波电压调节，从而调节饱和电抗器低压交流绕组自给的交流电压值发生变化，使可控饱和电抗器感抗发生变化，饱和电抗器高压绕组交流电压高低变化，达到连续调节电机定子端压的目的的回路。对中、高压电动机实现软起动、软停止、调压调速。(图5)中电传感器6对电机工作的电压电流作在线检测，将所得信号送控制器作对交流电动机运行参数的动态闭环控制和运行参数显示。该实施装置具有可在线调压调速、可旁路离线选择工作方式特点。

Claims

1、一种高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：绝缘框架(3)将三相可控饱和电抗器(4)铁心上的各个绕组隔离，所述三相可控饱和电抗器(4)的控制绕组(DCL)与IGBT直流调感器(5)连接。

2、根据权利要求1所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：所述三相可控饱和电抗器(4)采用三付“EI”形铁心，交流高压工作绕组(ACL)与直流/交流控制绕组(DCL)分别布置，用一个公共的直流线圈(DCL)公共绕在三相的三个铁心的中心柱上或将直流/交流控制3绕组(DCL)分别布置在各相铁心的三个铁心中心柱上，六个交流高压工作绕组(ACL)分别布置在各相铁心的六个边柱上，用一个绝缘框架(3)将各个绕组分别作高低电压绕组的分格隔离构成绝缘框架式高压型。

3、根据权利要求1所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：所述可控饱和电抗器(4)采用一付“EI”铁心构成绝缘框架式三相可控饱和电抗器低压型。

4、根据权利要求1所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：所述可控饱和电抗器(4)采用全“I”形铁心。

5、根据权利要求1所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：所述可控饱和电抗器(4)采用由三个单相绝缘框架式电抗器组成绝缘框架式三相可控饱和电抗器。

6、根据权利要1或2或3或4或5所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：可控饱和电抗器(4)的控制绕组(DCL)可制作为直流、交流兼用性的3个控制绕组。

7、根据权利要求1所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：所述IGBT直流调感器为电子开关调节器，构成有“交流变直流斩波调节直流”和“交流变直流斩波调节交流”两种可选用的控制方式。

8、根据权利要1所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：IGBT直流调感器采用电子可关断功率IGBT元件来构成斩波调节器或采用IGCT功率元件来构成斩波调节器。

9、根据权利要1或7或8所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：所述IGBT直流调感器(5)上连接有过电压泄放器(11)。

10、根据权利要1或7或8所述的高性能可控感抗交流电动机起动装置，其特征在于：所述IGBT直流调感器(5)上连接有对交流电动机运行参数的动态进行闭环控制的电传感器(6)。