基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法及裝置的製作方法
2023-07-22 22:34:26
專利名稱：基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於電機及運動控制領域，具體涉及一種基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法及裝置。
背景技術：
感應電動機起動方式有直接起動、星角降壓起動、轉子迴路串電阻或串頻敏變阻器起動、液阻軟起動、磁控軟起動、晶間管的交流調壓軟起動和分級交交變頻軟起動等，其中星角降壓起動和晶間管的交流調壓軟起動是比較簡單有效的起動方式，但是星角降壓起動在降低起動電流的同時也減小了堵轉轉矩，只適用於空載或輕載起動工況，而晶閘管的交流調壓軟起動用微電子通過晶閘管實現軟起動，然而由晶閘管引起的高次諧波也較為嚴重；其他起動方式也都有或多或少的缺點，有的會產生大電流，有的會帶來了額外的損耗， 有的甚至還會產生振動。感應電動機星角起動方法是一種簡單而易實現的降壓起動方式，在起動初始階段電動機繞組採用星型連接，起動超過臨界轉速後轉換為角型連接直到穩態運行狀態，初始階段星接起動能夠減小起動電流，避免電動機起動電流過大對電網的衝擊。傳統的星角起動裝置是通過單片機控制星接接觸器和角接接觸器導通和關斷來實現的，起動瞬間和星角切換時接觸器弧光易造成短路，安全性和可靠性差；一種解決方案是用可控矽代替接觸器，能夠避免有觸點引起的電弧，但如果沒有對可控矽有效的觸發控制，仍然不能消除起動初始瞬間和星角切換瞬間的瞬態衝擊電流。
發明內容
本發明採用一種基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法及裝置，能夠克服傳統星角起動方法及起動裝置的缺點，採用無觸點無電弧的可控矽開關，通過不同階段對可控矽實施的系列觸發控制實現電動機磁鏈的平滑過渡，能夠減小起動電流並抑制起動過程中星接起動瞬間和星角切換時的電流衝擊，從而實現電動機的星角軟起動。這種軟起動結構簡單，維護工作量小，功能齊全，還可以減少諧波的影響，降低電機起動時的噪聲及消除電動機的振動。本發明提供的基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法，在感應電動機的星角起動控制過程中，先進行電動機三相繞組星接軟投入，消除電動機起動過程中的電流衝擊，再保持星接運行至穩定狀態，然後在適當的切換點由定子繞組星接軟切換到定子繞組角接，消除電動機星角切換中的電流和轉矩衝擊，最後保持角接運行至再次進入穩定狀態， 從而實現這類電動機的限流和限轉矩的軟起動過程。具體步驟如下(參見圖2和圖3)步驟1，起動初始階段先閉合星接接觸器KM2 ；步驟2，通過對SCR2的三相可控矽進行系列觸發控制實現電動機的星接軟投入 以α 初始觸發角觸發導通BC兩相，之後每半個周波逐步調整觸發角度從、到Ci9，使三相按照ABC-CA-ABC-AB-ABC-BC-的順序導通，在5個周波內完成觸發角度的調整，最終ABC三相完全導通，電流與轉矩都已平滑無衝擊地過渡到穩態；步驟3，保持電動機處於完全星接起動狀態；步驟4，單片機判斷電動機的轉差率是否小於臨界轉差率(判斷s < S。)，如果「否」 返回步驟3，如果「是」執行步驟5 ；步驟5，關斷星接可控矽SCR2的觸發；步驟6，斷開星接接觸器KM2，閉合角接接觸器KMl ；步驟7，通過對SCRl的的三相可控矽進行系列觸發控制實現電動機的星角軟切換以 α D0 為初始觸發角度，使三相按照 V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、V1U2-U1W2、 V1U2、W1V2-U1W2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-的順序導通，期間逐步調整觸發角度從α Jlj α 9， 使磁鏈控制到角接繞組電壓(380V)所對應的大小，5個周波後ABC三相完全導通，使電流與轉矩都平滑無衝擊地過渡到穩態；步驟8，保持電動機處於完全形接起動狀態直到星角起動結束。本發明還涉及一種感應電動機星角軟起動控制裝置，包括電壓檢測單元、單片機控制單元、星接軟投入開關、星角軟切換開關、主電路其他元件與接線。電壓檢測單元採集電源電壓信號，提供給單片機控制單元作為觸發控制依據；單片機控制單元發出命令給星接軟投入開關，控制其中的元件執行星接軟投入操作；單片機控制單元發出命令給星角軟切換開關，控制其中的元件執行星角軟切換操作；星接軟投入開關與被控的電動機星型連接，星角軟切換開關與被控的電動機角型連接；主電路其他元件與接線連接電源和被控電動機之間的所有元器件及其二次控制迴路的接線。電壓檢測單元由電壓互感器及其調理電路構成，用於實時採集電動機電壓參數。單片機控制單元單片機控制單元包括單片機晶片、A/D轉換器件和接觸器驅動電路和可控矽觸發控制電路。單片機晶片可採用任何8位以上的通用晶片作為核心；A/D轉換器件將電壓檢測單元檢測到的電壓模擬信號轉化成單片機晶片能處理的數位訊號；單片機晶片控制接觸器驅動電路閉合或斷開接觸器；單片機晶片控制可控矽觸發電路觸發導通或關斷可控矽。星接軟投入開關由可控矽SCR2和接觸器ΚΜ2串聯組成，與定子三相繞組連成星型接法。星角軟切換開關由可控矽SCRl和接觸器KMl串聯組成，與定子三相繞組連成角型接法。主電路其他元件與接線包括連接電源和被控電動機的空氣開關QF以及與星接軟投入開關和星角軟切換開關之間的所有連接線，還包括裝置二次控制迴路的接線。本發明的有益效果本發明採用感應電動機星角軟起動控制方法，利用無觸點無電弧的可控矽，通過系列觸發控制實現電動機磁鏈在三相定子繞組星角軟起動過程中能夠平滑地過渡，從而抑制了星角軟起動過程中的電流和轉矩衝擊，消除了星角軟起動中的高次諧波、噪聲及振動，同時也保證了星角軟起動的易操作性。
圖1為本發明控制裝置示意圖。圖2為本發明的感應電動機星角軟起動控制裝置主電路圖，其中KMl和ΚΜ2是接觸器，U1-U2，V1-V2，W1-W2分別是電動機的定子三相繞組接線頭，接觸器KMl與SCRl串聯， 再與電動機繞組形成角型連接(使Ul與V2，Vl與W2，Wl與U2相連)；接觸器KM2與可控矽模塊SCR2串聯，進一步與電動機繞組形成星型連接。圖3為本發明的控制方法流程圖。
具體實施例方式下面通過附圖對本發明的具體實施方式
作進一步詳細說明。星角軟起動的基本方法是通過單片機控制可控矽的觸發電路，依據軟起動觸發策略進行觸發，使可控矽按照二相導通與三相導通交替的方式實施系列觸發控制，逐步對定子磁鏈進行調整，最後達到三相同時導通，先後實現電動機定子繞組星接軟投入、保持星接運行至穩定狀態、在適當的切換點由定子繞組星接軟切換到定子繞組角接、保持角接運行至再次進入穩定狀態，從而實現電動機的星角軟起動全過程，減小了電動機起動時定子側的衝擊電流。參照本發明控制裝置示意圖(如圖1所示)。控制裝置主電路和電動機相連接，電壓互感器檢測電源側的電壓。電壓信號經調理電路變為-10V-+10V之間。通過AD轉換器將其轉換成數字量傳輸給單片機。單片機精確計算電壓隊。信號的峰值點，作為基準發出驅動信號。其中驅動可控矽的信號先經過光電隔離，然後通過脈衝生成電路形成觸發脈衝，進而控制可控矽SCRl和SCR2的導通；而驅動接觸器的信號經過光電隔離，通過驅動繼電器的線圈來實現接觸器KMl和KM2的閉合及關斷。參照圖2所示，基於可控矽的感應電動機繞組星角軟起動控制方法總體來說分為兩步第一步，感應電動機進行定子繞組星接軟投入。此時，SCRl未觸發導通，KMl斷開。先閉合KM2，然後通過SCR2軟投入的系列觸發控制實現SCR2的導通，開始進行定子繞組星接軟投入。星接軟投入以α TO為初始觸發角對SCR2實施系列觸發控制，使三相按照 BC-ABC-CA-ABC-AB-ABC-的順序導通，期間逐步調整觸發角度從α工到α η，在5個周波內實現定子繞組星接時的軟投入，此時三相完全導通，電流與轉矩都已平滑無衝擊地過渡到穩態，保持電動機處於完全星接運行狀態。具體的系列觸發控制方法的步驟如下步驟Xl 可控矽組SCR2中BC相晶閘管在Ubc峰值點為基準的延遲角度α γο開始觸發；步驟Χ2 在B相和C相可控矽電流Ib和Ie未過零前，以Ubc峰值點為基準的延遲角度α 1Α作為第三相A導通觸發角度；步驟Χ3 在C相電流過零自然關斷後，電動機處於AB導通狀態。以Uab峰值點為基準的延遲角度α 1C作為C相觸發角度，使C相導通，電動機重新進入三相導通狀態；步驟X4 在B相電流過零自然關斷後，電動機處於CA導通狀態。以Ua峰值點為基準的延遲角度α 1Β作為B相觸發角度，使B相導通，電動機重新進入三相導通狀態；步驟)(5 在下半個周波以UBC、Uab和Uca的負峰值點為基準的觸發角α 2Α、α 2C和 α 2Β對A、C和B相可控矽進行導通，實現電動機在半個周波內二相導通與三相導通交替狀態；
5
步驟)(6 每個半波給定一組新的觸發角，重複上述步驟。步驟X7 設定終止觸發角α 9，在5個周波內完成定子繞組星接時的軟投入。第二步，感應電動機進行定子繞組星角軟切換。當單片機判斷s > sc (sc為臨界轉差率，即最大電磁轉矩對應的轉差率)，電動機進行從星接軟切換到角接，此時KMl斷開，閉合ΚΜ1，SCRl 通過星角軟切換的系列觸發控制實現自身的導通，單片機檢測到電源線電壓Ubc的峰值點之後，延時α D0角度開始對SCRl實施系列觸發控制，使三相按照V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、 W1V2-U1W2, V1U2-U1W2, V1U2,W1V2-U1W2,W1V2-U1W2, V1U2, W1V2-的順序導通，期間逐步調整觸發角度從Q1到α 9，使磁鏈控制到角接繞組電壓(380V)所對應的大小，最終三相完全導通，使電流與轉矩都平滑無衝擊地過渡到穩態，保持電動機處於完全形接運行狀態直到星角起動結束。星角軟切換的具體觸發控制策略和星接軟投入相似，只是具體的可控矽系列觸發角度不同，星接軟投入的初始觸發角α TO取值範圍是30° 60° ；星角軟切換的初始觸發角α M取值範圍是60° 90°。通過基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法和控制裝置，能夠實現電動機星角軟起動，很好地減小了電動機定子繞組在星角降壓起動過程中的電流衝擊，消除了晶閘管交流調壓等軟起動中的高次諧波、噪聲及振動等問題。
權利要求
1.一種基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法，其特徵在於，具體步驟如下(1)起動初始階段先閉合星接接觸器KM2；(2)通過對SCR2的三相可控矽進行系列觸發控制實現電動機的星接軟投入以αYQ為初始觸發角觸發導通BC兩相，之後每半個周波逐步調整觸發角度從、到Ci9，使三相按照 ABC-CA-ABC-AB-ABC-BC-的順序導通，在5個周波內完成觸發角度的調整，最終ABC三相完全導通，電流與轉矩都已平滑無衝擊地過渡到穩態；(3)保持電動機處於完全星接起動狀態；(4)單片機判斷電動機的轉差率是否小於臨界轉差率，即s< S。；如果「否」返回步驟 (3)，如果「是」執行步驟(5)；(5)關斷星接可控矽SCR2的觸發；(6)斷開星接接觸器KM2，閉合角接接觸器KMl；(7)通過對SCRl的的三相可控矽進行系列觸發控制實現電動機的星角軟切換以 α D0 為初始觸發角度，使三相按照 V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、V1U2-U1W2、V1U2、 W1V2-U1W2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-的順序導通，期間逐步調整觸發角度從α i到α 9，使磁鏈控制到角接繞組電壓380V所對應的大小，5個周波後ABC三相完全導通，使電流與轉矩都平滑無衝擊地過渡到穩態；(8)保持電動機處於完全形接起動狀態直到星角起動結束。
2.一種實現權利要求1所述方法的基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制裝置，其特徵在於，包括電壓檢測單元、單片機控制單元、星接軟投入開關、星角軟切換開關、主電路其他元件與接線；電壓檢測單元採集電源電壓信號，提供給單片機控制單元作為觸發控制依據；單片機控制單元發出命令給星接軟投入開關，控制其中的元件執行星接軟投入操作； 單片機控制單元發出命令給星角軟切換開關，控制其中的元件執行星角軟切換操作；星接軟投入開關與被控的電動機星型連接，星角軟切換開關與被控的電動機角型連接；主電路其他元件與接線連接電源和被控電動機之間的所有元器件及其二次控制迴路的接線。
3.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述的電壓檢測單元由電壓互感器及其調理電路構成，用於實時採集電動機電壓參數。
4.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述的單片機控制單元包括單片機晶片、 A/D轉換器件和接觸器驅動電路和可控矽觸發控制電路。單片機晶片可採用任何8位以上的通用晶片作為核心；A/D轉換器件將電壓檢測單元檢測到的電壓模擬信號轉化成單片機晶片能處理的數位訊號；單片機晶片控制接觸器驅動電路閉合或斷開接觸器；單片機晶片控制可控矽觸發電路觸發導通或關斷可控矽。
5.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述的星接軟投入開關由可控矽SCR2 和接觸器ΚΜ2串聯組成，與定子三相繞組連成星型接法。
6.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述的星角軟切換開關由可控矽SCRl和接觸器KMl串聯組成，與定子三相繞組連成角型接法。
7.根據權利要求2所述的裝置，其特徵在於，所述的主電路其他元件與接線包括連接電源和被控電動機的空氣開關QF以及與星接軟投入開關和星角軟切換開關之間的所有連接線，還包括裝置二次控制迴路的接線。
全文摘要
一種基於可控矽的感應電動機星角軟起動控制方法及裝置，屬於電機及運動控制技術領域。在感應電動機的星角起動控制過程中，先進行電動機三相繞組星接軟投入，消除電動機起動過程中的電流衝擊，再保持星接運行至穩定狀態，然後在適當的切換點由定子繞組星接軟切換到定子繞組角接，消除電動機星角切換中的電流和轉矩衝擊，最後保持角接運行至再次進入穩定狀態，從而實現這類電動機的限流和限轉矩的軟起動過程。裝置，包括電壓檢測單元、單片機控制單元、星接軟投入開關、星角軟切換開關、主電路其他元件與接線。優點在於，在三相定子繞組星角軟起動過程中能夠平滑地過渡，抑制了電流和轉矩衝擊，消除了高次諧波、噪聲及振動，同時也保證了星角軟起動的易操作性。
文檔編號H02P1/32GK102510247SQ20111037031
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優先權日2011年11月18日
發明者崔學深, 張自力, 朱亮, 石朋飛, 裴佳 申請人:華北電力大學