CN210693806U - 一种异步电机分级离散变频软起动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种异步电机分级离散变频软起动器，包括由电压检测模块、驱动电路模块、电流检测模块、显示模块和主控制电路模块构成的主调压电路和保护电路，其特征在于，所述主调压电路还包括三组反向并联的门极可关断晶闸管(GTO晶闸管)，采用分级离散变频软启动方式，每一个分频电压都有一个触发策略相对应，并进行依次触发，所述保护电路包括理想开关组，当电路中出现过压或者过流等现象时，可以第一时间将理想型开关组关闭。本实用新型的有益之处在于：通过采用门极可关断晶闸管(GTO晶闸管)实现了晶闸管的任意导通或者关闭，从而选取自己所需要的频段和波形，并减少了谐波分量，提高了电动机的起动转矩。

Description

一种异步电机分级离散变频软起动器

技术领域

本实用新型涉及电动机启动技术领域，特别涉及一种异步电机分级离散变频软起动器。

背景技术

21世纪是一个科技飞速发展的时代，人类的生产和生活也因科技的发展发生了翻天覆地的变化，其中异步电动机的发展为推动工业现代化做出了积极的贡献。目前，三相异步电动机在社会生产和生活中的应用已经越来越广泛，并逐渐深入到各个领域和行业，尤其是在机械工程等领域中有着极其广泛的应用。三相异步电机虽然应用广泛，但其起动问题一直以来都是人们所研究的热点。传统的异步电机软起动控制方式主要有：电压斜坡控制、限流控制、转矩控制三种方式。其中，电压斜坡控制起动方式弊端较多，其只适用于轻载起动的场所，若带重载起动，起动时间势必延长，容易造成电机发热，损坏电机。由于该种起动方式没有限流装置，容易形成大的冲击电流，烧毁晶闸管。最重要的是，使用该种起动方式时，电压上升的趋势无法准确预判，需要反复试验调试才能达到起动要求，因此，一般只应用于惯性比较大的负载中；限流控制虽能有效调节晶闸管的电流，在起动初期，定子电流迅速上升至某一定值，并在一段时间内保持恒定，但其电压升至额定电压时间缓慢；转矩控制的优点是起动比较柔和，能有效减小电动机起动时的冲击电流，但起动时间相对较长，因此一般只应用于起动负载比较大的场所。以上传统起动方式，均是通过改变定子电压的大小，来达到降压的目的，而并不改变其频率，由电机学中知识可知，电动机的起动转矩与定子端电压的平方成正比。而降低电压的同时，电动机的起动转矩也会降低，就不能实现带重载起动或满载起动。

实用新型内容

发明人经过长期的探索和实践，设计开发出了一种异步电机分级离散变频软起动器，很好地解决了背景技术中的问题。

本实用新型的技术方案如下：

一种异步电机分级离散变频软起动器，包括主调压电路和保护电路，所述主调压电路包括电压检测模块、驱动电路模块、电流检测模块、显示模块和主控制电路模块，其特征在于，所述主调压电路还包括三组反向并联的门极可关断晶闸管，所述主调压电路采用分级离散变频软启动方式，每一个分频电压都有一个触发策略相对应，并进行依次触发，分频启动次序为

f/10(5Hz)→f/7(7.14Hz)→f/4(12.5Hz)→f/3(16.7Hz)→f/2(25Hz)→f/(50Hz)。

优选地，所述保护电路包括理想开关组，当电路中出现过压或者过流现象时，能够第一时间将理想型开关组关闭，从而将主调压电路分离出来，不致烧毁晶闸管。

优选地，所述主调压电路的门极可关断晶闸管替换为理想开关组。

本实用新型的有益之处在于：通过采用门极可关断晶闸管(GTO晶闸管)取代了取代传统的可控硅晶闸管，实现了晶闸管的任意导通或者关闭，从而选取自己所需要的频段和波形，并减少了谐波分量。在保护电路方面，采用了理想型开关组，当电路中出现过压或者过流等现象时，可以第一时间将理想型开关组关闭，从而将主调压电路分离出来，不致烧毁晶闸管。

附图说明

图1为本实用新型异步电机分级离散变频软起动器的工作原理图，

图2为本实用新型异步电机分级离散变频软起动器的一种具体实施方式的变频启动模型图，

图3为图2的变频启动模型的启动电流、转速、转矩波形图，

图4为现有技术的斜坡控制的启动电流、转速、转矩波形图，

图5为现有技术的限流控制的启动电流、转速、转矩波形图。

具体实施方式

现结合附图，对本实用新型及其具体实施方式做进一步说明。

本实用新型采用分级离散变频软启动方式，主调压电路采用三组反向并联的晶闸管，也就是主电路结构延续了传统电子式软起动器中的应用，与之不同的是，其在保证预算成本不增长的前提下，通过改变传统软起动器的晶闸管触发策略，基本达到跟变频器一致的功能，有效的实现了对离散变频软起动器应用范围的扩大，使其在某些需要重载起动或满载起动的场合更为适用。设计的离散变频主电路主要是由门极可关断晶闸管(GTO晶闸管)调压模块、电压检测模块、驱动电路模块、电流检测模块、显示模块、主控制电路模块组成，其工作原理如图1所示。

离散变频是通过有选择的触发晶闸管，达到工频电压的正半波导通或负半波部分导通或全部导通的目的，然后对三相电源的正弦量按照要求斩波，从而形成新的某一频率的电压波形。每一个分频电压都有一个触发策略相对应，若要形成一套完整的异步电机离散变频软起动的方法，可把各分频电压连续起来，并依次进行触发。离散变频软起动并不只是简单的对上下半波导通，为实现增大起动转矩，减小起动电流的目的，在起动过程中，还需对三相电源的以下各情况进行分析：分频相序、初相角组合、分频次序、触发角的选取以及高次谐波的影响等。

(1)分频电压最优相位角组合

由于分频以后的电压中会含有不对称分量，而不对称分量中又包含了正序、负序和零序，因此电动机要想获得正向或反向最大转矩，必须采用相应的措施来达到自己想要的结果和目的，将其中的正序分量和负序分量都做极端化处理，使得他们其中一个的值最大化，另外一个的值最小化，而处理的方法通常是采用对称分量法，通过选取最优的相位角来获得最大转矩。应用对称分量法所得到的三组对称分量为：

利用上式对各分频的初相角组合进行计算，就可以得到最佳的相位角组合，经计算得出：2分频电压获得最大正向转矩的相位角组合为：(0° 60° 210°)，(0° 150° 210°)，(0° 150° 300°)；3分频电压获得最大正向转矩的相位角组合为：(0° 100° 260°)，(0°100° 200°)，(0° 160° 260°)；4分频、7分频、10分频电压获得最大正向转矩的相位角组合均为：(0° 120° 240°)

(2)离散频段的选取

电动机采用离散变频软起动时，频率从最小值一直缓慢变换到工频50Hz时，需要经过多个中间频率级的切换才能达到起动要求，在切换过程中，显然并不是所有的频率级都能满足电动机的起动要求，因为某段分频中可能会包含大量的谐波分量，不利于电动机的起动，达不到所需要的异步电机理想的起动要求，因此需要注意的是，在设置频率级的同时，频率差不宜过大，并且在设定分频级数时，分频级数不能太多，也就是说所设定的电动机的最小频率不能过低，若起动频率过小，会达不到电动机的起动要求，从而使得电动机起动不起来。故而电动机在整个起动过程中不能由四分频直接切换到工频，必须加入其它分频来过渡，而四分频和工频之间只有二分频和三分频，且二分频和三分频中虽然没有包含所需要的对称的正序分量，但当应用所掌握的电力系统中的基本方法对称分量法来对其进行分解时，能够解得正序分量的一个最大值，因此可以把它作为所设定的分频级数中的一部分，用来起动电机。由于起动频率不能过低，因此本文将十分频作为最低分频进行分析。

综上所述，电动机采用离散变频软起动时，分频起动次序为：

f/10(5Hz)→f/7(7.14Hz)→f/4(12.5Hz)→f/3(16.7Hz)→f/2(25Hz)→f/(50Hz)。

图2为本实用新型异步电机分级离散变频软起动器的一种具体实施方式的变频启动模型图，在仿真过程中，用到的各部分参数如下：三相电源有效值为220V，频率为50Hz，A相初相位为0°，B、C两相相位角依次滞后120°；三相异步电机选用的是AsynchronousMachine SIUnits，具体参数为，额定功率Pn＝10kw，额定电压Vn＝380V，额定频率fn＝50Hz，定子绕组电阻Rs＝0.435Ω，定子绕组电感L1s＝0.002H，转子绕组电阻Rr＝3Ω，转子绕组电感Llr＝0.002H，互感系数Lm＝0.06931H，转动惯量J＝2kg·m2，磁极对数P＝4。其仿真结果如图3所示，对比图4和图5可以发现，电动机采用斜坡软起动时，起动时间较长，大约需要7s才能达到稳定。起动过程中，电动机的最大电流约为30A，而稳定电流约为12A，最大起动电流为稳定电流的2.5倍，满足起动要求。转速增加非常平滑，避免了电动机的转速出现大范围波动，且转矩脉动较小，最大为-50～50N·m，因此不能带重载或满载起动，使用范围受到了较大限制。电动机采用限流软起动时，起动时间较短，约1.8s就能达到稳定状态，最大起动电流为50A，稳定电流为20A，最大起动电流为稳定电流的2.5倍，符合起动要求。在起动过程中，电机转速平滑上升，没有出现大的转速波动，约在1.8s时，达到了额定转速。起动瞬间，电动机起动转矩快速上升，约在0.7s时达到最大值250N·m，之后逐步下降，并趋于稳定，在整个过程中转矩波动较小，约为-50～250N·m，虽然限流软起动能在起动瞬间，大幅减小电动机的起动电流，但由于电流检测有一定的滞后性，因此会使得后续冲击电流较大，容易对电机和负载产生不利影响。

而采用本实用新型离散变频软起动方式时，电动机起动电流较大，接近于100A，但由二分频向工频过渡时，电流波动较小，过渡非常平滑，且相同时间内电动机转速也相对较高，在0～0.5s内起动转矩明显增大，最大可达900N·m，为普通晶闸管离散变频软起动的2～3倍。

综上所述，离散变频软起动可以有效的降低电动机的起动电流，大幅提高起动转矩，并通过仿真验证了离散变频理论在提高电动机起动转矩方面的正确性和优越性。

最后需要说明的是，以上仅为本案的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本案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案揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本案的保护范围之内。本案的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种异步电机分级离散变频软起动器，包括主调压电路和保护电路，所述主调压电路包括电压检测模块、驱动电路模块、电流检测模块、显示模块和主控制电路模块，其特征在于，所述主调压电路还包括三组反向并联的门极可关断晶闸管，所述主调压电路采用分级离散变频软启动方式，每一个分频电压都有一个触发策略相对应，并进行依次触发，分频启动。

2.根据权利要求1所述的异步电机分级离散变频软起动器，其特征在于，所述保护电路包括理想开关组，当电路中出现过压或者过流现象时，能够第一时间将理想型开关组关闭，从而将主调压电路分离出来，不致烧毁晶闸管。

3.根据权利要求1所述的异步电机分级离散变频软起动器，其特征在于，所述主调压电路的门极可关断晶闸管替换为理想开关组。

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