一種異步電動機軟起動和就地補償的方法和裝置的製作方法

2023-05-10 21:21:26

專利名稱：一種異步電動機軟起動和就地補償的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本技術發明涉及一種工業電動機的控制設備，特別是一種電動機的軟起動和電動機的 就地補償設備。其應用領域為冶金、採礦、建材、石化、給排水等行業的大功率高壓電動 機需要軟起動和需要就地補償、不頻繁起動的場合。特別適用單向旋轉的負載，如水泵、 風機、壓風機、球磨機等場合。
背景技術：
電機的起動方式主要有兩種， 一種是直接起動方式，另一種是降壓起動方式。對於直 接起動方式，因受到許多限制，主要表現在下列三個方面特徵
(1) 起動電流可大到電動機額定電流的4 7倍，部分國產電動機的起動電流實際測 量甚至高達8 12倍。如果直接起動較大的電動機，過大的起動電流將造成電網電壓顯著 下降，影響同一電網其它電氣設備和電子設備的正常運行，嚴重時將使部分設備因電壓過 低而退出運行，甚至使電力線路繼電保護裝置過流保護動作而跳閘，使線路供電中斷。
(2) 直接起動會使被拖動的工作機械受到機械性衝擊，對於水泵性負載來說，過高的 起動轉矩對葉片、軸承、拍門等造成軟性損傷(機械變形、疲勞性老化)及硬性損傷(裂 紋、斷裂等)是較為常見的，甚至會因水流對管道的衝擊力(及反作用力)過大而產生嚴 重的水錘效應損壞設備。
G)直接起動要求供電變壓器容量較大，而對農田排灌泵站供電的變壓器容量往往達 不到直接起動對電網容量的要求。
在不允許直接起動的情況下，就要採用降壓起動的起動方式，即降低電動機端電壓進 行起動。降壓起動一般有星形/三角形起動、定子電路中串接電阻起動、電抗器起動、自
耦變壓器降壓起動及本發明推薦的軟起動等方法。其中
1)星形/三角形起動器是降壓起動器中結構最簡單、成本最低的一種，然而它的性能受到限制，主要表現在
(1) 無法控制電流和轉矩下降程度，這些值是固定的，為額定值的1/3。
(2) 當起動器從星形接法切換到三角形接法時，通常會出現較大的電流和轉矩變動。 這將引起機械和電氣應力，導致經常性故障的發生。
2) 自耦變壓器式起動器比星形/三角形起動器提供了更多的控制手段，可以通過變 壓器抽頭改變I段起動電壓(典型為65%和80%兩擋起動分接頭)。然而它的電壓是分級 升高的，所以其性能受如下限制
(1) 電壓的階躍性變化(分級轉換時產生)引起較大的電流和轉矩變動，同星形/三 角形起動器性能限制"2" —樣會導致機械、電氣經常性故障的發生。
(2) 有限的輸出電壓種類(起動電壓分接頭數量有限)，限制了理想起動電流的選擇。
因為自耦變壓器式起動器控制是使用較額定電壓低的電壓級別進行降壓起動，它控制的電 機參數為電壓而非電流，所以當電網電壓波動及負載變化(如排灌站水位落差變化)時， 起動電流曲線將顯著偏離設計理想曲線，從而惡化起動性能，設備在較差的工況下將大大 縮短使用壽命，增加維護成本。
3) 電阻式起動器也能提供比星形/三角形起動器更好的起動控制。然而它同樣有一
些性能、使用上的限制，包括
(1) 起動特性很難優化。原因是製造起動器時電阻值是確定的，在使用中很難改變， 雖然可以通過轉換分接頭來進行分級起動，但當級數較多時，勢必增加控制系統的複雜性，
而製造成本、故障率也將隨之大幅度提高，所以一般電阻式起動器均在2 5級間。這樣，
加在電動機定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數在分級起動時仍有很大的波動。
(2) 頻繁起動場合下的起動特性不好。原因是在起動過程中電阻值會隨著電阻的溫度
變化，在停止到再起動過程中需經長時間冷卻過程。
(3) 負載較大或起動時間較長的場合下的運行特性變 ，原因是電阻值隨著電阻器溫度的變化而變化。
綜上所述，傳統的降壓起動設備均有諸多性能限制和使用限制，越來越難以適應不斷 發展的電動機複雜使用場合的起動需要。
近來為了克服傳統電機起動的不足提出一種軟起動。所謂軟起動，就是電動機起動時， 從起動開始軟起動器給交流異步電動機一個初始電壓Ust (Ust—般在10% 80%Ue電機 額定電壓間自由調整)並在用戶設定的起動時間Tst (Tst —般在1 120s範圍內自由設定) 內將負載電壓均勻上升到電動機額定電壓Ue，即所謂斜坡電壓起動。由於軟起動器自身特 有的限流功能，起動電流在起動期間均勻上升到起動限制電流維持一定，而不會超過起動 限制電流Iq (Iq—般在1.1 5Ie電機額定電流內自由設定)。所以又稱恆流起動。這樣可 將電衝擊及機械性衝擊減小到最低的程度。但現有的電動機的軟起動技術還不成熟，沒有 真正得到應用。
隨著科技水平的發展，對電動機的控制機理和技術指標要求越來越高，傳統的降壓起 動設備己無法滿足各行業的需要。近年來，隨著軟起動設備逐歩國產化，將使軟起動技術 的應用成為今後大型鼠籠型異步電動機起動方式的主流，並將最終取代傳統的起動方式。
另一方面，工礦企業消耗的無功功率中，異步電動機約佔70%，而異歩電動機的功率 因數又比校低(一般只有0.85左右)，因此，在工礦企業的異步電動機中一般都採用就地 無功功率補償。就地補償是在異步電動機附近設置電容器，對異歩電動機進行無功功率補 償，這是最有效的補償方法。其作用
可減少供電網、配電變壓器、低壓配電線路的負荷電流。
可減少配電線路的導線截面和企業配電變壓器的容量。
可減少企業配變及配電網的功率損耗。 補償點的無功經濟當量最大，因而降損效果更好。
可降低電動機的起動電流。
目前，傳統的電動機就地無功補償裝置大多採用機械開關投切，但這種用機械開關投 切有以下不足
(1) 補償裝置投入時產生很大的湧流，切除時產生過電壓，降低開關和補償設備的使 用壽命。
(2) 成本高，體積大。 因此很有必要對 a有的異步電動機軟起動和無功功率補償方式進行進一步的研究。

發明內容
本發明的目的就是針對現有異步電動機軟起動和無功功率補償方式的不足，提出一種 補償裝置投入時湧流小，切除時不會產生過電壓，且製作成本低的異歩電動機無功功率補 償方式及裝置。
本發明的目的是通過下述技術方案實現的 一種異歩電動機軟起動和就地無功功率補 償方式，在異步電動機的控制系統中設置高壓晶閘管電子開關，利用高壓品閘管電子丌關 的開關完成異歩電動機的軟起動和電動機的就地無功功率補償投切，實現異歩電動機的就 地無功功率補償。
根據所述的方法提出的異步電動機軟起動和就地無功功率補償裝置為 一種異步電動 機軟起動和無功功率補償裝置，至少包括一個檢測控制單元和補償電容器組，在檢測控制 單元中設置有高壓晶閘管電子開關，且晶閘管電子開關的輸出分別與被控電動機和就地補 償電容器組相連；在檢測控制單元的協調控制下，利用晶閘管電子開關完成電動機的軟起 動和電動機就地補償電容器組的投切。所述的晶閘管電子開關的輸出分別與被控電動機和 就地補償電容器組相連是指利用一個三刀雙擲開關(或具有類似功能的開關器件)將晶閘管電子開關的輸出分別與被控電動機和就地補償電容器組相連。所述的檢測控制單元包括 控制和保護系統，控制和保護系統採用以雙CPU為核心的數模混合電路及485通信電路等 組成， 一片CPU用於電流、電壓信號檢測和開關信號的處理，並實時發出軟起動或補償投 切命令；另一片CPU用於完成高壓晶閘管組件的電壓同步移相觸發信號(用於軟起動)或 過零觸發信號(用於補償投切)的形成，完成電動機軟起動和電動機就地補償投切的控制 功能，以及高壓晶閘管組件狀態檢測和保護。
本發明由於採用了高壓晶閘管開關控制電動機軟起動和電動機就地補償投切，充分利 用了高壓晶閘管電子開關，降低了成本，減小了體積。且可實現電壓過零投入，電流過零 切除。所以投入時無湧流衝擊，切除時無過電壓衝擊。克服了機械開關投切的缺點。其應 用領域為冶金、採礦、建材、石化、給排水等行業的大功率高壓電動機需要軟起動和需要 就地補償、不頻繁起動、單向旋轉的場合。特別適合於水泵、風機、壓縮機、球磨機等場口 。


圖1為本發明的電動機的軟起動/就地補償主電路原理圖； 圖2為本發明一個實施例的電動機的軟起動/就地補償第一控制電路原理框圖； 圖3為本發明一個實施例的電動機的軟起動/就地補償第二控制電路原理框圖； 圖4為第一CPU工作流程圖； 圖5為第二CPU工作流程圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明。
電動機的軟起動和電動機的就地補償裝置主電路如圖1所示，系統檢測控制單元原理 框圖如圖2、 3所示，程序流程如圖4、 5所示。從附圖可以看出本發明是一種異歩電動機
軟起動和就地無功功率補償方式，在異步電動機的控制系統中設置有高壓晶閘管電子開關，利用高壓晶閘管電子開關的開關完成異步電動機的軟起動和電動機的就地無功功率補 償投切，實現異步電動機的就地無功功率補償。所述的異步電動機的控制系統採取
根據所述的方法提出的異步電動機軟起動和就地無功功率補償裝置為 一種異步電動 機軟起動和無功功率補償裝置，包括一個檢測控制單元1和補償電容器組單元2，檢測控 制單元1與供電系統7電氣連接；在檢測控制單元1上設有用於異歩電動機的啟動控制的 晶閘管電子開關3，且晶閘管電子開關3的輸出^別與被控異步電動機4和就地補償電容 器組5相連；在檢測控制單元1的協調控制下，利用晶閘管電子開關3完成異步電動機的 軟起動和異步電動機就地補償電容器組的投切。所述的晶閘管電子開關3的輸出分別與被 控電動機4和就地補償電容器組5相連是指利用一個三刀雙擲開關6 (或具有類似功能的 開關器件)將晶閘管電子開關3的輸出分別與被控電動機4和就地補償電容器組5相連。 所述的檢測控制單元1包括控制和保護系統。所述的控制和保護系統採用以雙CPU為核心 的數模混合電路及485通信電路， 一片CPU用於電流、電壓信號檢測和開關信號的處理， 並實時發出軟起動或補償投切命令；另一片CPU用於完成高壓晶閘管組件的電壓同歩移相 觸發信號(用於軟起動)或過零觸發信號(用於補償投切)的形成，完成異歩電動機軟起 動和異歩電動機就地補償投切的控制功能，以及高壓晶閘管組件狀態檢測和保護。
實施例一
圖1給出了一個具體的異歩電動機軟起動和異歩電動機就地補償投切的主電路示意圖。 從附圖可以看出所述的異步電動機軟起動和異歩電動機就地補償投切的主電路由二部分 組成。第1部分由高壓晶閘管(SCRl SCRn)反並聯組件串聯組成的電子開關(串聯個數 由晶閘管的耐壓水平和系統電壓定)、電壓互感器(TV1、 TV2)、電流互感器(TA1、 TA2)、 旁路接觸器(KM)、氧化鋅避雷器(Fl)等器件組成。第2部分由三刀雙擲開關(QS)、 電流互感器(TA3、 TA4)、高壓並聯電容器(C)、串聯電抗器(L)、氧化鋅避雷器(F2) 等器件組成。檢測控制單元採用以雙CPU為核心的數模混合電路及485通信電路等組成，如圖2、 圖3所示。控制原理框圖2由開關量輸入/輸出電路(數字1/0)、模擬信號調理電路、模 數轉換電路(A/D)、可編程邏輯控制(CPLD)、中央處理器(CPU1)和保護邏輯組成。控 制原理框圖2用來完成電壓、電流信號的檢測和開關信號的處理，實時發出軟起動或補償 投切命令；根椐檢測得到的電流、電壓信號和給定的電流電壓整定值進行比較，發出保護 命令進行過流、過壓保護。
控制原理框圖3由中央處理器(CPU2)、電壓同步移相觸發脈衝信號、過零觸發脈衝 信號、脈衝形成、發送光纖、脈衝放大、高壓晶閘管(SCR)組件的狀態檢測、光纖接收、 485通信接口等環節組成。用來接受控制原理框圖2發來的軟起動或補償投切命令，完成 高壓晶閘管組件的電壓同歩移相觸發脈衝信號(用於軟起動)或過零觸發脈衝信號(用於 補償投切)的形成，並將觸發脈衝信號通過光纖傳輸給脈衝放大，去觸發高壓晶閘管(SCR)， 完成電動機軟起動和電動機就地補償投切的功能。同時將檢測到的高壓品閘管(SCR)組 件的狀態信號通過光纖反饋回來，經過邏輯判斷，發出保護信號，對高壓品閘管(SCR) 組件進行保護。
因為採用光纖傳輸信號，不僅解決了高低壓之間的隔離問題，而且，因"光信號"不 受電磁幹擾，也較好的解決了電磁幹擾問題，提高了系統的可靠性。下面將結合圖1、圖 2、圖3、圖4、圖5對本發明的軟起動和就地補償結裝置及其工作原理作進一歩地詳細描 述。
軟起動將三刀雙擲開關QS擲於2位，按下軟起按鈕，控制電路(CPU1)接到軟起 指令，經檢査準備就緒(QF合、KM分、QS擲2位、無過流、過壓等異常)，就向CPU2發 軟起命令，CPU2即啟動軟起動程序，根椐給定的起動條件如起動時間Tq、起動電壓Uq、 起動電流Iq等形成電壓同歩移相觸發脈衝信號，並將觸發脈衝信號通過光纖傳輸給脈衝 放大，去觸發高壓晶閘管(SCR)，電動機轉速將隨著電壓緩慢的增加而平穩的升至額定轉速。完成電動機軟起動，將旁路接觸器KM閉合，高壓晶閘管電子開關即退出工作。控制 電路將繼縮通過電流、電壓互感器(TA1、 TA2、 TV)對電動機的工作狀態進行監控和保 護。
就地補償當電動機起動完成進入正常運轉後，即可投入就地補償。(參見圖l、圖2、 圖3、圖4、圖5)將三刀雙擲開關QS擲於3位，按下補償投入按鈕，控制電路(CPU1) 接到補償投入指令，經檢査準備就緒(QF合、KM合、QS擲3位、無過流、過壓等異常)， 就向CPU2發補償投入命令，CPU2即啟動過零觸發程序，形成電壓過零觸發脈衝信號，並 將觸發脈衝信號通過光纖傳輸給脈衝放大，去觸發高壓晶閘管(SCR)，完成就地補償電容 器組的投入，因為是電壓過零投入，所以投入時無湧流衝擊。控制電路將繼續通過電流、 電壓互感器(TA3、 TA4、 TV)對補償電容器組工作狀態進行監控和保護。
軟停先切除就地補償按下切除按鈕，CPU2收到從CPU1發來的切除命令，即將 觸發脈衝封鎖使晶閘管因電流過零而關斷，補償電容器組退出。因為是電流過零關斷，所 以切除時無過電壓衝擊。等待五分鐘後將QS擲於2位。
按下軟停按鈕，CPU2收到從CPU1發來的軟停命令，即將移相角"置為0度(晶閘 管全導通位置)形成移相過零全導通觸發脈衝，隨後發出分斷KM接觸器命令，使KM分 斷，此時電動機由晶閘管電子開關供給全電壓。當控制電路(CPU1)確認KM分斷後， CPU2將移相角"由0度(晶閘管全導通位置)按設置的軟停時間Tt均勻增加至120度， 使輸出電壓慢慢降低，電動機慢慢停下來。
1權利要求
1、一種異步電動機軟起動和就地無功功率補償方式，其特徵在於在異步電動機的控制系統中設置高壓晶閘管電子開關，利用高壓晶閘管電子開關的開關完成異步電動機的軟起動和電動機的就地無功功率補償投切，實現異步電動機的就地無功功率補償。
2、 一種異步電動機軟起動和無功功率補償裝置，其特徵在於至少包括一個 檢測控制單元和補償電容器組，在檢測控制單元中設置有高壓晶閘管電子開關，且晶 閘管電子開關的輸出分別與被控電動機和就地補償電容器組相連；在檢測控制單元的 協調控制下，利用晶閘管電子開關完成電動機的軟起動和電動機就地補償電容器組的 投切。
3、 如權利要求2所述的異歩電動機軟起動和無功功率補償裝置，其特徵在於-所述的晶閘管電子開關的輸出分別與被控電動機和就地補償電容器組相連是指利用 一個三刀雙擲開關或具有類似功能的開關器件將晶閘管電子丌關的輸出分別與被控 電動機和就地補償電容器組相連。
4、 如權利要求2所述的異歩電動機軟起動和無功功率補償裝置，其特徵在於所述的檢測控制單元包括控制和保護系統，控制和保護系統採用以雙CPU為核心的 數模混合電路及485通信電路等組成， 一片CPU用於電流、電壓信號檢測和開關信 號的處理，並實時發出軟起動或補償投切命令；另一片CPU用於完成高壓晶閘管組 件的電壓同歩移相觸發信號或過零觸發信號的形成，完成電動機軟起動和電動機就地 補償投切的控制功能，以及高壓晶閘管組件狀態檢測和保護。
5、 如權利要求2所述的異歩電動機軟起動和無功功率補償裝置，其特徵在於 所述的檢測控制單元包括以雙CPU為核心的數模混合電路及485通信電路。
6、 如權利要求5所述的異歩電動機軟起動和無功功率補償裝置，其特徵在於所述的雙CPU為核心的數模混合電路及485通信電路包括兩個部分， 一個是由開關 量輸入/輸出電路(數字I/0)、模擬信號調理電路、模數轉換電路(A/D)、可編程邏 輯控制(CPLD)、中央處理器CPU1)和保護邏輯組成，另一部分由中央處理器(CPU2)、 電壓同步移相觸發脈衝信號、過零觸發脈衝信號、脈衝形成、發送光纖、脈衝放大、 高壓晶閘管(SCR)組件的狀態檢測、光纖接收、485通信接口組成。
全文摘要
一種異步電動機軟起動和就地補償的方法和裝置，在異步電動機的控制系統中設置高壓晶閘管電子開關，利用高壓晶閘管電子開關的開關完成異步電動機的軟起動和電動機的就地無功功率補償投切，實現異步電動機的就地無功功率補償。至少包括一個檢測控制單元和補償電容器組，在檢測控制單元中設置有高壓晶閘管電子開關，且晶閘管電子開關的輸出分別與被控電動機和就地補償電容器組相連；在檢測控制單元的協調控制下，利用晶閘管電子開關完成電動機的軟起動和電動機就地補償電容器組的投切。
文檔編號H02P1/26GK101626215SQ200910043519
公開日2010年1月13日 申請日期2009年5月27日 優先權日2009年5月27日
發明者劉興民, 周方圓, 張定華, 段世彥, 輝 沈, 王衛安, 王小方, 譚勝武, 馬雅青, 黃燕豔 申請人:株洲變流技術國家工程研究中心有限公司