CN202565210U - 一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，包括电网、同步静止补偿模块、电容补偿模块、起动开关、运行开关、控制器以及电动机；同步静止补偿模块与电容补偿模块并联构成无功补偿回路，并通过起动开关与电动机并联，再接入电网；运行开关将无功补偿回路与电网相连；控制器通过检测电动机及电网的电压和电流值，计算出电动机起动过程中所需的无功补偿功率，进而控制无功补偿回路对电动机、电网进行就地无功补偿。本装置可在大型电动机起动时就近提供无功，实现对电网无冲击起动，增大电动机输出转矩，待电动机正常运行后，控制器根据电网工况，还可对电网进行分相或全相连续调节的无功补偿，增加装置的利用率，成本较低。

Description

一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置

技术领域

本实用新型涉及一种电动机起动设备，尤其涉及一种具有对电网进行无功补偿功能的大型电动机的软起动装置。

背景技术

目前，大型电动机的起动方式主要有变压器-电动机组的直接起动，高压变频起动，串联电抗软起动，自耦变压器降压软起动，晶闸管交流调压软起动等，这些起动方式都有各自的缺点。变压器-电动机组方式需单独的专用变压器，较大的系统短路容量，起动电流较大，对电网的电压波动影响较大。高压变频起动方式起动效果好，但成本太高，后续维护难度较大。串联电抗软起动，自耦变压器降压软起动，晶闸管交流调压软起动等均属降压起动，其均存在起动力矩较小，不能满足重载起动需求。而且这些降压起动方式均是在电机起动时投入运行，待电动机正常全压运行后，便不再起作用，设备的利用率非常低。

如图1所示，现有技术1的中国专利CN201797473U提供了一种基于可变电抗的无功补偿软起动装置，其采用可变电抗器与电容器组并联构成无功补偿软起动装置，控制器只控制电容器组的投切，而且其可变电抗器在电动机起动后处于闲置，装置利用率较低。

如图2所示，现有技术2的中国专利CN201726140U提供了一种混合型无功补偿装置，其同步静止补偿装置和电容补偿装置直接与电网相联，并只对电网进行无功补偿。同步静止补偿装置的逆变电路采用自换向桥式电路。

如图3所示，现有技术3的中国专利CN202004701U提供了一种电机软起动器电路，其仅利用三相逆变电路对电动机进行无功补偿，该三相逆变电路拓扑结构采用三相逆变桥电路，成本较高。

实用新型内容

为了解决大型电动机起动时对电网的冲击问题以及大型电动机起动装置利用率低的问题，本实用新型提供了一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置。本实用新型可在大型电动机起动时就近提供无功补偿，实现对电网的无冲击起动，并可对电网进行分相或全相连续调节的无功补偿，增加起动装置的利用率，且成本较低。

本实用新型的设计方案如下：

一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，包括电网；还包括同步静止补偿模块1、电容补偿模块2、起动开关3、运行开关4、控制器5以及电动机6。

同步静止补偿模块1包括逆变器，电容补偿模块2包含电容器组。

同步静止补偿模块1与电容补偿模块2并联构成无功补偿回路，并通过起动开关3与电动机6并联，再接入电网。

无功补偿回路通过运行开关4与电网相连接。

电动机6的进线电流信号及端电压信号传输至控制器5，控制器5计算出电动机起动过程中除电容补偿模块2无功补偿后还需的无功电流，并将控制信号传输至同步静止补偿模块1的逆变器驱动电路，由同步静止补偿模块1输出无功电流，对电动机6起动所需的无功电流进行就地无功补偿。

电网的进线电流信号和母线电压信号传输至控制器5，控制器5计算出母线所需补偿的无功功率，并将控制信号传输至电容补偿模块2进行补偿，再将控制信号传输至同步静止补偿模块1进行无功调整。

电容补偿模块2的总容量按照大型电动机起动时的无功需求量来确定，所以大部分的无功补偿均由价格较便宜的电容补偿模块2来完成，而同步静止补偿模块1只是微调无功补偿，容量较小，其总成本也较低。

电容补偿模块2中的各电容器组之间相互并联；电容器组包括接触器2-1和分级投切电容器组2-2，分级投切电容器组2-2包含一组电容器，接触器2-1的一端与分级投切电容器组2-2相连接，另一端接入无功补偿回路母线。

在具体实施中，电容补偿模块2包含至少1组电容器组；分级投切电容器组2-2中的一组电容器采用星型接法。

为了实现对电网或电动机进行分相和全相无功补偿，同步静止补偿模块1中的逆变器为三相逆变器9，三相逆变器9由三个单相H桥逆变电路1-1构成；同步静止补偿模块1还包括直流侧电容1-2和输出变压器1-3；逆变电路1-1与直流侧电容1-2并联，并通过输出变压器1-3接入无功补偿回路母线。

运行开关4与电网之间串联有高压开关柜7，高压开关柜7中包括高压断路器8，高压开关柜7母线通过高压断路器8与电网相连接，运行开关4与电动机6通过高压断路器8与高压开关柜7母线相连接。

电网与控制器5在高压开关柜7的进线柜母线处相连接。

在具体实施中，控制器5内包括数字信号处理控制器，输入电压信号处理电路，输入电流信号处理电路以及数字信号输出电路.

输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路与电动机6的进线端相连接。

输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路与电网的母线相连接。

数字信号处理控制器分别与输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路相连接。

数字信号输出电路一端与数字信号处理控制器相连接，另一端分别与同步静止补偿模块1以及电容补偿模块2相连接。

在实际应用中：

数字信号处理控制器用来对输入电压和输入电流进行计算得出需补偿的无功功率，并输出脉冲控制序列信号和控制接触器开关信号。

输入电压信号处理电路是通过电压互感器用来采集电压信号，并进行信号调理。

输入电流信号处理电路是通过电流互感器用来采集电流信号，并进行信号调理。

数字信号输出电路是将脉冲控制序列信号输出至同步静止补偿模块的逆变器驱动电路和将控制接触器开关信号输出至接触器控制线圈。

同步静止补偿模块1中包含全相控半导体功率器件，控制器5中的数字信号输出电路与全相控半导体功率器件的脉冲输入端相连接。对于同步静止补偿模块1来说，实际是对其功率器件进行脉冲控制，将控制器5的输出脉冲序列分别输入到功率器件的脉冲输入端，来控制功率器件的导通和关断，最终达到控制无功输出的目的。

在实际应用中，全相控半导体功率器件组建成逆变电路，并通过脉冲控制信号来控制其通断，进而将直流转换为交流实现逆变功能。

电容补偿模块2中包含接触器，接触器中设有控制线圈，控制器5中的数字信号输出电路与接触器中的控制线圈相连接。对接触器的控制实际是控制其控制线圈，控制器输出指令来控制其控制线圈。

在实际应用中，每个接触器中都有其控制线圈，通过数字信号输出电路输出的接触器开关信号使得控制线圈得电实现接触器闭合，失电实现接触器断开,进而实现电容器的投切。

本装置还包括电流互感器和电压互感器，控制器5中的输入电流信号处理电路和输入电压信号处理电路通过电流互感器和电压互感器与电动机6的进线端相连接。

控制器5中的输入电流信号处理电路和输入电压信号处理电路通过电流互感器和电压互感器与电网母线相连接。

本实用新型的工作原理如下：

在大型电动机起动时，闭合起动开关3，断开运行开关4，对大型电动机进行软起动；在大型电动机正常运行后，闭合运行开关4，断开起动开关3，对电网进行无功补偿。

在大型电动机起动时，控制器5根据电动机6的无功需求工况对分级投切电容器组2-2的接触器2-1进行实时控制，并根据电动机6在经电容补偿模块2补偿后的无功需求工况，控制逆变器驱动电路控制同步静止补偿模块1的无功输出；

在大型电动机正常运行后，控制器5根据电网的无功需求工况对分级投切电容器组2-2的接触器2-1进行实时控制，并根据电网在经电容补偿模块2补偿后的无功需求工况，控制逆变器驱动电路控制同步静止补偿模块1的无功输出，最终实现精确的无功补偿。

为实现同步静止补偿模块1的快速响应，事先将根据某种逆变器半导体功率器件的调制算法得出的全相控半导体功率器件导通角控制序列文件存储在控制器5的内存中，由于该导通角序列与逆变器的输出电压相对应，所以控制器5通过实时检测、计算得到所应输出的电压，可直接查询该导通角控制序列文件，即可得到逆变器功率器件的控制脉冲，输出给三相逆变器9的驱动电路，进而得到所要的输出电压，最终经输出变压器1-3输出无功电流给母线而对电网或大型电动机进行无功补偿。

本实用新型的工作过程如下：

当大型电动机要起动时，闭合起动开关3，断开运行开关4，电容补偿模块2中所有的分级投切电容器组2-2都投入，控制器5实时检测电动机进线电流及端电压，实时计算出电动机起动过程中除电容补偿模块2无功补偿后还需的无功电流，通过输出调制脉冲给同步静止补偿模块1的三相逆变器9的驱动电路，使得同步静止补偿模块1输出一定的无功电流，对电动机6起动所需的无功电流进行就地无功补偿，进而降低大型电动机起动时线路的压降以及对系统的冲击。

随着电动机转速的逐渐接近额定转速，电动机6的起动电流也逐渐降低，控制器5将根据电动机的转速及无功需求逐渐分级切除投切电容补偿模块2中的分级投切电容器组2-2，对无功补偿量进行粗略的调整，由于同步静止补偿模块1可吸收无功和发出无功，若余下的电容过补，则可将多余的无功进行吸收用于对直流侧电容进行充电，若余下的电容欠补，则继续发出无功，最终确保电动机6端的电压保持稳定，进而提高电动机起动的可靠性。

当大型电动机正常运行后，断开起动开关3，闭合运行开关4，控制器5将实时检测目前高压开关柜7的进线电流和母线电压，计算出母线要保持一定的功率因素所需补偿的无功功率，进而根据电容补偿模块2中的电容器组2-2容量进行分级投切，进行一个粗略的补偿，同时控制器5再根据投切电容补偿模块2无功补偿后母线的功率因素情况，控制同步静止补偿模块1进行微调，吸收多余的无功或发出还需的无功。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点：

1）可实现大型电动机的软起动，并具有较高的起动转矩，而且在电动机正常运行后可继续对电网进行无功补偿，装置利用率高。

2）电机起动时所需的大部分无功由价格较低的电容补偿模块提供，同步静止补偿模块只发出还需无功或吸收多余的无功，总体价格较低，且无需复杂精确的电容器投切控制策略。

3）可对电动机或电网进行分相连续的无功补偿，且响应速度快，使电动机端或电网电压波动小，并可消除一定的三相电压不平衡，提高电能质量。

附图说明

图1为现有技术1的无功补偿装置示意图；

图2为现有技术2的无功补偿装置示意图；

图3为现有技术3的无功补偿装置示意图；

图4为本实用新型装置电路原理图。

图5为本实用新型投切电容器无功补偿模块的内部电路接线图；

图6为本实用新型的同步静止补偿模块的内部电路接线图。

附图编号说明：

1-同步静止补偿模块；2-电容补偿模块；3-起动开关；4-运行开关；

5-控制器；6-电动机；7-高压开关柜；8-高压断路器；9-三相逆变器；

1-1逆变电路；1-2直流侧电容；1-3输出变压器；

2-1接触器；2-2分级投切电容器组。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地说明，本实用新型的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

具体实施方式

如图4-6所示，一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，包括电网、同步静止补偿模块1、电容补偿模块2、起动开关3、运行开关4、控制器5以及电动机6。

同步静止补偿模块1与电容补偿模块2并联构成无功补偿回路，并通过起动开关3与电动机6并联，再接入电网。

无功补偿回路通过运行开关4与电网相连接。

电容补偿模块2中包括3组电容组，3组电容器组之间相互并联；每个电容器组中包括接触器2-1和分级投切电容器组2-2，分级投切电容器组2-2包含采用星形接法连接的3个电容器。

接触器2-1的一端与分级投切电容器组2-2相连接，另一端接入无功补偿回路母线。

同步静止补偿模块1中包括三相逆变器9，三相逆变器9由三个单相H桥逆变电路1-1构成；同步静止补偿模块1还包括直流侧电容1-2和输出变压器1-3；逆变电路1-1与直流侧电容1-2并联，并通过输出变压器1-3接入无功补偿回路母线。

运行开关4与电网之间串联有高压开关柜7，高压开关柜7中包括高压断路器8，高压开关柜7母线通过高压断路器8与电网相连接，运行开关4与电动机6通过高压断路器8与高压开关柜7母线相连接。

电网与控制器5在高压开关柜7的进线柜母线处相连接。

控制器5内包括数字信号处理控制器，输入电压信号处理电路，输入电流信号处理电路以及数字信号输出电路.

其中，输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路与电动机6的进线端相连接。

输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路与电网的母线相连接。

数字信号处理控制器分别与输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路相连接。

数字信号输出电路一端与数字信号处理控制器相连接，另一端分别与同步静止补偿模块1以及电容补偿模块2相连接。

同步静止补偿模块1中包含全相控半导体功率器件，控制器5中的数字信号输出电路与全相控半导体功率器件的脉冲输入端相连接。

电容补偿模块2中包含接触器，接触器中设有控制线圈，控制器5中的数字信号输出电路与接触器中的控制线圈相连接。

本装置还包括电流互感器和电压互感器，控制器5中的输入电流信号处理电路和输入电压信号处理电路通过电流互感器和电压互感器与电动机6的进线端相连接。

控制器5中的输入电流信号处理电路和输入电压信号处理电路通过电流互感器和电压互感器与电网母线相连接。

电动机6的进线电流信号传输至控制器5的输入电流信号处理电路，电动机6的端电压信号传输至控制器5的输入电压信号处理电路,经处理后传输至控制器5的数字信号处理控制器，数字信号处理控制器计算出电动机6起动过程中除电容补偿模块2无功补偿后还需的无功电流，并将控制信号传输至同步静止补偿模块1的逆变器驱动电路，由同步静止补偿模块1输出无功电流，对电动机6起动所需的无功电流进行就地无功补偿。

电网的进线电流信号传输至控制器的输入电流信号处理电路，电网的母线电压信号传输至控制器5的输入电压信号处理电路，经处理后传输至控制器5的数字信号处理控制器，数字信号处理控制器计算出电网母线所需补偿的无功功率，并将控制信号传输至电容补偿模块2进行补偿，再将控制信号传输至同步静止补偿模块1进行无功调整。

上述技术方案只是本实用新型的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本实用新型公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本实用新型上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (9)

1.一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，包括电网，其特征在于：

所述装置包括同步静止补偿模块（1）、电容补偿模块（2）、起动开关（3）、运行开关（4）、控制器（5）以及电动机（6）；

所述同步静止补偿模块（1）包括逆变器，所述电容补偿模块（2）包含电容器组；

所述同步静止补偿模块（1）与所述电容补偿模块（2）并联构成无功补偿回路，并通过所述起动开关（3）与所述电动机（6）并联，再接入所述电网；

所述无功补偿回路通过所述运行开关（4）与所述电网相连接；

所述电动机（6）的进线电流信号及端电压信号传输至所述控制器（5），所述控制器（5）计算出电动机起动过程中除电容补偿模块（2）无功补偿后还需的无功电流，并将控制信号传输至所述同步静止补偿模块（1）的逆变器驱动电路，由所述同步静止补偿模块（1）输出无功电流，对所述电动机（6）起动所需的无功电流进行就地无功补偿；

所述电网的进线电流信号和母线电压信号传输至所述控制器（5），所述控制器（5）计算出母线所需补偿的无功功率，并将控制信号传输至所述电容补偿模块（2）进行补偿，再将控制信号传输至所述同步静止补偿模块（1）进行无功调整。

2.根据权利要求1所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述电容补偿模块（2）中的各电容器组之间相互并联；所述电容器组包括接触器（2-1）和分级投切电容器组（2-2），所述分级投切电容器组（2-2）包含一组电容器，所述接触器（2-1）的一端与所述分级投切电容器组（2-2）相连接，另一端接入无功补偿回路母线。

3.根据权利要求2所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述电容补偿模块（2）包含至少1组电容器组；所述分级投切电容器组（2-2）中的一组电容器采用星型接法。

4.根据权利要求1所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述同步静止补偿模块（1）中的逆变器为三相逆变器（9），所述三相逆变器（9）由三个单相H桥逆变电路（1-1）构成；所述同步静止补偿模块（1）还包括直流侧电容（1-2）和输出变压器（1-3）；所述逆变电路（1-1）与所述直流侧电容（1-2）并联，并通过所述输出变压器（1-3）接入所述无功补偿回路母线。

5.根据权利要求1所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述运行开关（4）与电网之间串联有高压开关柜（7），所述高压开关柜（7）中包括高压断路器（8），所述高压开关柜（7）母线通过所述高压断路器（8）与所述电网相连接，所述运行开关（4）与电动机（6）通过所述高压断路器（8）与所述高压开关柜（7）母线相连接；

所述电网与所述控制器（5）在所述高压开关柜（7）的进线柜母线处相连接。

6.根据权利要求1所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述控制器（5）内包括数字信号处理控制器，输入电压信号处理电路，输入电流信号处理电路以及数字信号输出电路；

所述输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路与所述电动机（6）的进线端相连接；所述输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路与所述电网的母线相连接；所述数字信号处理控制器分别与所述输入电压信号处理电路以及输入电流信号处理电路相连接；

所述数字信号输出电路一端与所述数字信号处理控制器相连接，另一端分别与所述同步静止补偿模块（1）以及电容补偿模块（2）相连接。

7.根据权利要求6所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述同步静止补偿模块（1）中包含全相控半导体功率器件，所述控制器（5）中的数字信号输出电路与所述全相控半导体功率器件的脉冲输入端相连接，进而控制所述全相控半导体功率器件的通断。

8.根据权利要求6所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述电容补偿模块（2）中包含接触器，所述接触器中设有控制线圈，所述控制器（5）中的数字信号输出电路与所述接触器中的控制线圈相连接。

9.根据权利要求6所述的一种具有电网无功补偿功能的大型电动机软起动装置，其特征在于：

所述装置还包括电流互感器和电压互感器，所述控制器（5）中的输入电流信号处理电路和输入电压信号处理电路通过所述电流互感器和电压互感器与所述电动机（6）的进线端相连接；

所述控制器（5）中的输入电流信号处理电路和输入电压信号处理电路通过所述电流互感器和电压互感器与所述电网母线相连接。

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