一種連續變頻的軟起動器及其控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種連續變頻的軟起動器及其控制方法，屬于交流異步電動機起動裝置領域。本發明的主要特征為通過采用脈沖寬度調制技術與空間矢量控制算法相結合的方式實現變頻與旁路：在工頻以下調速時，采用脈寬調制算法實現軟起動器的連續變頻；電機成功起動并達到工頻電網頻率時改變調制方式，用空間矢量控制算法實現旁路切換控制，從而實現軟起動器在電機起動完成后可以自行退出的功能，以解決變頻器應用于軟起動器不能旁路的問題，彌補了現有有級變頻軟起動器不能連續變頻的缺點。
【專利說明】
一種連續變頻的軟起動器及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于交流異步電動機起動裝置領域，特別涉及一種連續變頻的軟起動器及其控制方法。
【【背景技術】】
[0002]交流異步電機具有諸多優點，所以其被廣泛應用于工農業生產與國防領域中。但其直接起動時起動電流可達額定電流的5-8倍，甚至更高，這樣大的起動電流對電機自身、電網、負載均有不利影響，為了克服起動電流大的弊端我們通常采用降壓起動方式起動。
[0003]傳統的軟起動方法，如二十世紀60年代開始使用的星形-三角形轉換降壓軟起動、定子電路串電抗器(或電阻器)降壓起動、頻敏變阻器軟起動、自耦變壓器降壓軟起動、延邊三角形起動等方法，由于靠接觸器切換電壓實施降壓起動，雖然可以達到降低電流的目的，但無法從根本上解決起動瞬時的電流尖峰沖擊問題，且這些方法在降低起動電流的同時也降低了起動轉矩，起動中二次沖擊電流會對負載產生轉矩沖擊；同時由于受電網波動的影響，一旦出現電網電壓向下浮動，會引起電機堵轉、起動過程接觸器帶載切換等問題，起動平滑性不好，軟起動性能不高。
[0004]目前，應用較為廣泛的普通三相晶閘管降壓軟起動器，其結構為每相串接兩只反并聯的晶閘管，通過依次控制六只晶閘管的觸發時刻來實現降壓起動，這種軟起動只改變了電壓的有效值而沒有改變電壓的頻率。該方法存在兩個重要缺點:其一，起動轉矩小；其二，不能改變定子磁場的轉速，起動轉差過大，造成電機起動時反轉、抖動厲害。
[0005]此外，也有用變頻器作軟起動器的。其采用變頻控制的電機傳動控制系統具有優良的動態、靜態性能，調速范圍寬、平滑性好，在起動性能上是可以滿足要求的，但存在當電機起動完成后不容易退出的缺點。因此，尋求一種更完善的連續變頻軟起動器來實現其在軟起動方面的應用是十分有必要的。
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【發明內容】
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[0006]本發明的目的在于提出一種不同于普通軟起動器和分級變頻軟起動器的連續變頻軟起動器及其控制方法，其在保持傳統變頻器主要電路拓撲結構優良特性的基礎上，進一步實現變頻軟起動器在電機起動完成后可以自行退出的功能，解決原有變頻軟起動器所存在的難以旁路切換到工頻的不足，從而使得其一機多用、不閑置。
[0007]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0008]一種連續變頻的軟起動器，包括三相整流橋、三相逆變橋和微處理器;所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進線端通過直流母線連接，所述三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端分別與電網和電機連接形成主回路;三相逆變橋的出線端以及電網和電機之間都串聯有接觸器開關;所述的微處理器與檢測模塊連接，用于控制三相逆變橋實現軟起動器的變頻起動。
[0009]所述的檢測模塊連接電網的輸出端、直流母線及三相逆變橋的輸出端，分別用于檢測電網輸出端、直流母線及三相逆變橋輸出端的電壓與電流。
[0010]所述三相整流橋的出線端的直流母線上并聯有電阻R與電容C相串聯的阻容吸收支路。
[0011]所述三相逆變橋的開關器件為IGBT管，共構成六個橋臂，其中IGBT管Vl與V4、IGBT管V3與V6及IGBT管V5與V2分別構成三組上下橋臂。
[0012]所述三相逆變橋的出線端與電機的U、V、W三相之間分別設置有接觸器開關Kl、K2、Κ3;電網的A、B、C三相和電機之間設置有接觸器開關Κ4、Κ5、Κ6。
[0013]一種連續變頻的軟起動器的控制方法，三相整流橋將三相電網的交流電整流成電壓恒定的直流電壓，再用三相逆變橋將直流電壓變換為頻率與電壓均可調的交流電給電機供電；通過檢測模塊對電網電壓進行檢測，將檢測信號傳輸至微處理器，經過微處理器的控制算法輸出相應的PWM波實現軟起動器的變頻起動，在工頻以下調速時，控制電路采用脈沖寬度調制方式進行變頻起動;變頻起動的過程中，控制使得頻率幅值連續變化，轉速平滑提升，滿足電機平滑調速的要求；當達到工頻時，控制電路采用空間電壓矢量控制算法進而控制逆變電路中相應器件的開通與關斷，找到電機兩相電流的過零點附近進行切換，從而運用接觸器開關將電機直接連接至電網，變頻軟起動器被旁路。
[0014]脈沖寬度調制方式是指，通過改變調制波的頻率來改變輸出的PWM波形的頻率，使電機定子磁場頻率與轉子轉速同步提升，相對傳統調壓軟起動器減小轉差率，降低起動電流，最終過渡至工頻，進而實現變頻起動。
[0015]在旁路切換的控制過程中，主回路的IGBT管Vl與V4、IGBT管V3與V6及IGBT管V5與V2分別構成三組上下橋臂，6個IGBT管中導通的順序依次為:V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1;當電網B、A相導通時，電機U相電流處于過零點附近，從而使電機U相直接與電網A相相連；當電網C、B相導通時，電機V相電流處于過零點附近，從而使電機V相直接與電網B相相連；當電網A、C相導通時，電機W相電流處于過零點附近，從而使電機W相直接與電網C相相連。
[0016]還包括續流控制步驟:在電路運行過程中，負載中的電感產生續流電流，在開關過程中出現的尖峰電壓借助電阻R及電容C吸收；當檢測到母線兩端出現尖峰電壓過大時，通過控制三相逆變橋中6個IGBT的開通與關斷，使得三個上橋臂開關或三個下橋臂開關同時導通，令三相開關處于零矢量工作狀態，此時電機的三個定子端處于短路狀態，能量自行釋放。
[0017]通過以上技術方案，本發明具有以下有益效果:
[0018]本發明的軟起動器的主電路由三相橋式二極管整流電路部分與逆變電路部分構成。通過電壓電流以及相位的檢測電路對電網電壓進行檢測，將檢測信號傳輸至MCU微處理器，經過微處理器的控制算法從而輸出相應的PWM波實現軟起動器的變頻起動，當軟起動器輸出頻率達到工頻電網頻率時控制逆變電路使電機的三相電壓具有與電網電壓相同的頻率、幅值與相位，使得在變頻器旁路時可因此避免對電網和電機產生電流沖擊以及避免對電機產生電磁轉矩的沖擊。使得變頻器在電機起動完成后容易退出，解決了變頻器應用于軟起動器不能旁路的問題，彌補了有級變頻軟起動器不能連續變頻的缺點。運用接觸器開關設計將電機直接連接至電網，變頻軟起動器被旁路，從而實現其不被閑置、一機多用的功會K。
[0019]進一步，中間的阻容吸收支路是為了解決主回路中可能出現的尖峰電壓問題。
[0020]上述的一種連續變頻的軟起動器的控制方法，將三相電網的交流電整流成電壓恒定的直流電壓，再用逆變器將直流電壓變換為頻率與電壓均可調的交流電，并通過采用脈沖寬度調制技術與空間矢量算法相結合的方式實現變頻與旁路，不僅改善了普通的調壓軟起動和限流軟起動不能變頻、轉矩不足的缺點，而且可以通過逆變電路部分實現連續變頻，變頻軟起動器在電機成功起動完成后可以自行退出。本發明解決了變頻器應用于軟起動器不能旁路的問題，彌補了現有有級變頻軟起動器不能連續變頻的缺點。
[0021]進一步，當檢測到母線兩端出現尖峰電壓時，通過控制逆變電路中6個IGBT的開通與關斷，使得電機的三個定子端處于短路狀態，能量自行釋放，從而解決續流問題。
【【附圖說明】】
[0022]圖1是采用本發明方法的連續變頻軟起動器的控制電路圖；
[0023]圖2是三相電源電壓相量圖；
[0024]圖3是電壓空間矢量軟起動器各個導通區間電壓向量圖；
[0025]圖4是電壓空間矢量控制下的三相電源波形圖。
【【具體實施方式】】
[0026]為了使本發明的工作原理、技術方案更加清楚直觀，下面結合附圖對本發明優選實施例作詳細說明。
[0027]參照附圖1-3，本發明一種連續變頻的軟起動器，其主電路由全橋整流電路部分與逆變電路部分構成，左半部分為不可控整流橋，將三相電網的交流電整流成電壓恒定的直流電壓，再用逆變器將直流電壓變換為頻率與電壓均可調的交流電，中間的阻容吸收支路是為了解決主回路中可能出現的尖峰電壓問題。通過電壓電流以及相位的檢測電路對電網電壓進行檢測，將檢測信號傳輸至MCU微處理器從而輸出相應的PWM波實現軟起動器的變頻起動；當軟起動器輸出頻率達到工頻電網頻率時控制逆變電路使電機的三相電壓具有與電網電壓相同的頻率、幅值與相位，使得在變頻器旁路時可以因此避免對電網和電機產生電流沖擊以及避免對電機產生電磁轉矩的沖擊。
[0028]本發明【具體實施方式】為，本發明的控制電路由電壓、電流、相位檢測模塊，MCU控制模塊以及主電路部分組成。通過電壓電流以及相位的檢測電路對電網電壓進行檢測，將檢測信號傳輸至M⑶微處理器，經過微處理器的控制算法從而輸出相應的PWM波實現軟起動器的變頻起動，當軟起動器輸出頻率達到工頻電網頻率時控制逆變電路使電機的三相電壓具有與電網電壓相同的頻率、幅值與相位，使得在變頻軟起動器旁路時可因此避免對電網和電機產生電流沖擊以及避免對電機產生電磁轉矩的沖擊;其主電路主要由三相整流電路部分與逆變電路部分組成，圖1為連續變頻軟起動器的控制電路圖，其為一種交直交變頻器的結構拓撲圖，工頻三相電通過三相橋式二極管整流電路轉換為脈動的直流電輸出，與整流橋的輸出直接相連的是三相逆變電路，其采用IGBT作為開關器件，共構成六個橋臂。其中全控器件V1、V4，V3、V6與V5、V2分別構成三組上下橋臂，，通過控制開關器件的開通與關斷以達到利用空間矢量控制算法實現變頻軟起動器旁路切換到工頻的目的。結合圖2與圖3分析此種連續變頻軟起動器工作過程中具體的工頻切換過程:
[0029]本發明的具體工作方式:在工頻以下調速時，采用脈沖寬度調制技術進行變頻起動；當達到工頻時，改變調制方式，用空間矢量控制算法實現變頻，以達到便于旁路切換到工頻的目的。變頻過程采用脈寬調制的方法，電機成功起動達到工頻電網頻率時改變調制方式，按照現有軟起動控制算法通過對電壓空間矢量六邊形的分析進而控制逆變電路中相應器件的關斷，此時因為采用空間矢量控制算法，因此兩相電壓與電網直接導通的時間較長，為t = 1/(6 X50Hz)s，便于我們可以找到電機兩相電流的過零點附近進行切換，從而運用接觸器開關設計將電機直接連接至電網，變頻軟起動器被旁路，從而實現其不被閑置、一機多用的功能。具體控制步驟如下:
[0030]首先利用脈寬調制算法實現軟起動器的變頻起動，通過改變調制波的頻率來改變輸出的PffM波形的頻率，即控制變頻器的輸出頻率，使電機定子磁場頻率與轉子轉速同步提升，相對傳統調壓軟起動器減小轉差率，降低起動電流，最終過渡至工頻，進而實現變頻起動。變頻起動的過程可以根據具體需求采用恒壓頻比、矢量控制和直接轉矩等控制方法，使得頻率幅值連續變化，轉速平滑提升，滿足電機平滑調速的要求，很好的解決電機起動問題；當電機達到工頻時再利用空間電壓矢量控制算法實現旁路切換的目的。在此重點分析當電機達到工頻時，變頻軟起動器旁路切換的控制過程:結合圖3可知，圖1主電路結構中6個IGBT管導通的順序依次為:
[0031]V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1。具體根據圖4電壓空間矢量控制下的三相電源波形圖進行分析，首先從a點開始觸發導通V1、V2，U相、W相電流開始增加，然后從b點開始觸發導通V2、V3，V相、W相電流也開始增加，接著從c點開始觸發導通V3、V4，此時U相電流處于過零點附近，所以閉合K4并斷開Kl從而使電機U相直接與電網A相相連，V相、A相電流開始增加;U相旁路后對應的V1、V4不再觸發，繼續從d點開始觸發導通V5，W相、A相電流增加，接著從e點開始觸發導通V5、V6，此時V相電流處于過零點附近，所以閉合K5并斷開K2從而使電機V相直接與電網B相相連，W相、B相電流開始增加;V相旁路后對應的V3、V6不再觸發，繼續從f點開始觸發導通A、B相，A相、B相電流增加，接著從g點開始觸發V2，此時W相電流處于過零點附近，所以閉合K6并斷開K3從而使電機W相直接與電網C相相連。至此，三相電壓從變頻軟起動器完成旁路切換過程，從而實現軟起動器在電機起動完成后可以自行退出的功能，以解決變頻器應用于軟起動器不能旁路的問題，彌補了現有有級變頻軟起動器不能連續變頻的缺點。
[0032]在電路運行過程中，負載中的電感會有續流電流產生。其具體解決措施如下:如圖1連續變頻軟起動器的控制電路圖所示，圖中的電阻R、電容C吸收支路是為了解決主回路開關過程中可能出現的尖峰電壓問題;而在電動機起動加速過程中有時不可避免的會產生電機抖動或者一些其他原因引起轉速的突然變化，導致出現能量回饋現象，從而發生短時間的續流狀態，此時電阻R、電容C器件無法吸收如此大的尖峰電壓，就需要采用插入零電壓矢量的方法來進行控制:當檢測到母線兩端出現尖峰電壓時，通過控制逆變電路中6個IGBT的開通與關斷，使得三個上橋臂開關或三個下橋臂開關同時導通，令三相開關處于零矢量工作狀態，此時電機的三個定子端處于短路狀態，能量自行釋放，從而解決續流問題。
[0033]盡管以上結合附圖對本發明的實施方案進行了描述，但本發明并不局限于上述的具體實施方案，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的范圍的情況下， 還可以做出很多種的形式，這些均屬于本發明保護之列。
【主權項】
1.一種連續變頻的軟起動器，其特征在于，包括三相整流橋、三相逆變橋和微處理器；所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進線端通過直流母線連接，所述三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端分別與電網和電機連接形成主回路;三相逆變橋的出線端以及電網和電機之間都串聯有接觸器開關;所述的微處理器與檢測模塊連接，用于控制三相逆變橋實現軟起動器的變頻起動。2.根據權利要求1所述的一種連續變頻的軟起動器，其特征在于，所述的檢測模塊連接電網的輸出端、直流母線及三相逆變橋的輸出端，分別用于檢測電網輸出端、直流母線及三相逆變橋輸出端的電壓與電流。3.根據權利要求1所述的一種連續變頻的軟起動器，其特征在于，所述三相整流橋的出線端的直流母線上并聯有電阻R與電容C相串聯的阻容吸收支路。4.根據權利要求1所述的一種連續變頻的軟起動器，其特征在于，所述三相逆變橋的開關器件為IGBT管，共構成六個橋臂，其中IGBT管Vl與V4、IGBT管V3與V6及IGBT管V5與V2分別構成三組上下橋臂。5.根據權利要求1所述的一種連續變頻的軟起動器，其特征在于，所述三相逆變橋的出線端與電機的U、V、W三相之間分別設置有接觸器開關K1、K2、K3;電網的A、B、C三相和電機之間設置有接觸器開關1(4、1(5、1(6。6.一種基于權利要求1所述的連續變頻的軟起動器的控制方法，其特征在于，三相整流橋將三相電網的交流電整流成電壓恒定的直流電壓，再用三相逆變橋將直流電壓變換為頻率與電壓均可調的交流電給電機供電；通過檢測模塊對電網電壓進行檢測，將檢測信號傳輸至微處理器，經過微處理器的控制算法輸出相應的PWM波實現軟起動器的變頻起動，在工頻以下調速時，控制電路采用脈沖寬度調制方式進行變頻起動;變頻起動的過程中，控制使得頻率幅值連續變化，轉速平滑提升，滿足電機平滑調速的要求；當達到工頻時，控制電路采用空間電壓矢量控制算法進而控制逆變電路中相應器件的開通與關斷，找到電機兩相電流的過零點附近進行切換，從而運用接觸器開關將電機直接連接至電網，變頻軟起動器被芳路。7.根據權利要求6所述的一種連續變頻的軟起動器的控制方法，其特征在于，脈沖寬度調制方式是指，通過改變調制波的頻率來改變輸出的PWM波形的頻率，使電機定子磁場頻率與轉子轉速同步提升，降低起動電流，最終過渡至工頻，進而實現變頻起動。8.根據權利要求6所述的一種連續變頻的軟起動器的控制方法，其特征在于，在旁路切換的控制過程中，主回路的IGBT管Vl與V4、IGBT管V3與V6及IGBT管V5與V2分別構成三組上下橋臂，6個IGBT管中導通的順序依次為:V1V2-V2V3-V3V4-V4V5-V5V6-V6V1;當電網B、A相導通時，電機U相電流處于過零點附近，從而使電機U相直接與電網A相相連；當電網C、B相導通時，電機V相電流處于過零點附近，從而使電機V相直接與電網B相相連；當電網A、C相導通時，電機W相電流處于過零點附近，從而使電機W相直接與電網C相相連。9.根據權利要求6所述的一種連續變頻的軟起動器的控制方法，其特征在于，還包括續流控制步驟:在電路運行過程中，負載中的電感產生續流電流，在開關過程中出現的尖峰電壓借助電阻R及電容C吸收；當檢測到母線兩端出現尖峰電壓過大時，通過控制三相逆變橋中6個IGBT的開通與關斷，使得三個上橋臂開關或三個下橋臂開關同時導通，令三相開關處于零矢量工作狀態，此時電機的三個定子端處于短路狀態，能量自行釋放。
【文檔編號】H02P27/08GK105939133SQ201610505864
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】孟彥京, 李鳴, 高澤宇, 榮為青, 陳君, 周鵬, 李肖南, 柴德喜
【申請人】陜西科技大學, 陜西和創自動化工程有限公司