專利名稱：三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電機及運動控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置及控制方法。
背景技術(shù)：
三相電動機星角切換是一種簡單而易實現(xiàn)的調(diào)壓節(jié)能技術(shù)，主要應(yīng)用在負載經(jīng)常在輕載和重載之間變化的電動機上?，F(xiàn)有的星角切換裝置通常分為二種。一種是傳統(tǒng)的星角切換裝置，即通過單片機控制接觸器的關(guān)斷和導通實現(xiàn)星角切換。這種裝置在進行電動機星角切換時，接觸器弧光易造成短路，安全性和可靠性差，并且不能滿足快速切換的要求。另外一種用可控硅代替接觸器，通過單片機對可控硅的導通和關(guān)斷實現(xiàn)星角的切換。這種裝置在進行電動機星角切換時，采用可控硅三相同時導通的策略，滿足了切換快速性的要求，但是電動機定子側(cè)仍會出現(xiàn)很大的沖擊電流。沖擊電流的產(chǎn)生會造成功率的損耗。應(yīng)用在需要頻繁進行星角切換的負載上時(如游梁式抽油機、傳輸機、提升機和破碎機等)，頻繁的電流沖擊所造成的大量功率損耗，將使星角切換節(jié)能效率變得很低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置及控制方法。采用一種三相電動機繞組星角軟切換技術(shù)解決上述二種星角切換裝置的缺點。采用無觸點無電弧可控硅開關(guān)，通過系列觸發(fā)控制實現(xiàn)電動機磁鏈在三相繞組星接和角接之間的平滑過渡，從而抑制了星角切換過程中的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊，提高了星角切換節(jié)能的效率。 另外，半固態(tài)控制減少了裝置的可控硅開關(guān)數(shù)量，降低了裝置的成本。本發(fā)明的三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置包括檢測單元、單片機控制單元、驅(qū)動單元、觸發(fā)單元、接觸器、可控硅、主電路其它元件及接線。檢測單元與單片機單元相連，為單片機采集和處理電氣模擬量信號；單片機控制單元輸出命令至驅(qū)動單元，控制接觸器的閉合和分斷，接觸器與電動機三相繞組相連，構(gòu)成星型連接和角型連接；單片機控制單元輸出命令至觸發(fā)單元，控制串聯(lián)于電源和電動機之間的可控硅實施星角軟切換控制；主電路其它元件及接線首端連接三相交流電源，接至接觸器和可控硅，最后連接電動機繞組，另外還將交流變?yōu)橹绷麟娫唇o單片機單元和驅(qū)動單元供電。(見附圖1)單片機控制單元單片機控制單元可采用任何8位以上的通用單片機芯片。單片機控制單元還包括A/D轉(zhuǎn)化單元，將檢測單元檢測到的電壓和電流信號轉(zhuǎn)化成單片機能處理的數(shù)字信號。檢測單元由電壓互感器和電流傳感器組成，用于實時采集和處理電動機電壓和電流信號；驅(qū)動單元包含由繼電器模塊和其它功率放大元件，用來驅(qū)動接觸器線圈控制開關(guān)的閉合和關(guān)斷；
觸發(fā)單元包含脈沖發(fā)生器件、門電路和其它功率器件，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖用于控制可控硅開關(guān)的導通與關(guān)斷。接觸器由角接接觸器KMl和星接接觸器KM2構(gòu)成，KMl用于與電動機繞組角型型連接，KMl用于與電動機繞組星型連接?？煽毓栌扇龑煽毓栝_關(guān)構(gòu)成，用SCR表示，串聯(lián)接線于電源與電動機繞組之間，是實施星角軟切換控制的主要元件。具體的可控硅開關(guān)可以是雙向晶閘管、反并聯(lián)晶閘管、GTO、IGBT, IGCT或其它電力電子元件。另外，在接觸器線圈和驅(qū)動單元的連接電路中，角接接觸器KMl和星接接觸器KM2 之間是互鎖的，避免了主電路星接和角接之間切換時同時閉合而造成短路，提高了裝置的安全性和可靠性。根據(jù)上述的角接接觸器KMl與電動機繞組角型連接連線方式的不同，三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置存在不同的2種拓撲結(jié)構(gòu)，一種是KMl將電動機繞組端線 Ul與W2，V1與U2，W1與V2相連(附圖2)，另一種是KMl將電動機繞組端線Ul與V2，Vl與 W2，W1與U2相連(附圖3)。三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制方法，其特征是，步驟1，檢測單元檢測三相電動機的電流和電壓信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，單片機分析計算電動機負載率β和星角切換臨界負載率β。。步驟2，如果β < β。，單片機控制單元給驅(qū)動單元發(fā)信號，控制接觸器KMl關(guān)斷， ΚΜ2閉合，再給觸發(fā)單元發(fā)信號，按照星角軟切換觸發(fā)控制策略觸發(fā)導通可控硅SCR，使三相電動機由角接向星接進行軟切換，具體執(zhí)行步驟4 ；步驟3，如果β > β。，單片機控制單元給驅(qū)動單元發(fā)信號，控制接觸器ΚΜ2關(guān)斷， KMl閉合，再給觸發(fā)單元發(fā)信號，按照星角軟切換觸發(fā)控制策略觸發(fā)導通可控硅SCR，使三相電動機由星接向角接進行軟切換，具體執(zhí)行步驟4。步驟4，執(zhí)行星角軟切換觸發(fā)控制操作，具體如下單片機檢測到電源線電壓Ubc的過零點之后，延時α ^角度開始對SCR實施系列觸發(fā)控制，使三相按照BC-ABC-AB-ABC-CA-ABC-的順序?qū)?，期間逐步調(diào)整觸發(fā)角度從α :到 α η，最終結(jié)束于ABC三相完全導通，使電流與轉(zhuǎn)矩都平滑無沖擊地過渡到穩(wěn)態(tài)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明采用三相電動機繞組軟切換技術(shù)，利用六對無觸點無電弧可控硅開關(guān)，通過系列觸發(fā)控制實現(xiàn)電動機磁鏈在三相繞組星接和角接之間能夠平滑地過渡，從而抑制了星角切換過程中的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊，提高了星角切換節(jié)能效率的同時也保證了星角軟切換的快速性。


圖1為本發(fā)明控制裝置示意圖。圖2為本發(fā)明三相電動機星角軟切換控制裝置的一種半固態(tài)控制器主電路圖。圖3為本發(fā)明三相電動機星角軟切換控制裝置半固態(tài)控制器主電路圖的另一種拓撲結(jié)構(gòu)。圖4為本發(fā)明控制裝置的二次回路電路圖。圖5為本發(fā)明的控制方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置包括檢測單元、單片機控制單元、驅(qū)動單元、觸發(fā)單元、接觸器、可控硅、主電路其它元件及接線。檢測單元與單片機單元相連，為單片機采集和處理電氣模擬量信號；單片機控制單元輸出命令至驅(qū)動單元，控制接觸器的閉合和分斷，接觸器與電動機三相繞組相連，構(gòu)成星型連接和角型連接；單片機控制單元輸出命令至觸發(fā)單元，控制串聯(lián)于電源和電動機之間的可控硅實施星角軟切換控制；主電路其它元件及接線首端連接三相交流電源，接至接觸器和可控硅，最后連接電動機繞組，另外還將交流變?yōu)橹绷麟娫唇o單片機控制單元和驅(qū)動單元供電。下面通過具體實施方式
和附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。參照圖1，圖1是本發(fā)明控制裝置示意圖?？刂蒲b置主電路和電動機相連接，檢測單元中電壓互感器和電流互感器檢測電源側(cè)的電壓和電流。電壓和電流信號經(jīng)過調(diào)理電路后，被調(diào)理為-10V-+10V之間的電壓信號。AD轉(zhuǎn)換器將采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，傳輸?shù)絾纹瑱C。單片機對輸入進來的數(shù)字信號進行分析計算，判斷何時進行星角軟切換，進而給觸發(fā)單元信號。其信號先經(jīng)過光電隔離，然后通過脈沖生成電路形成觸發(fā)脈沖，進而控制可控硅開關(guān)SCR的導通；而給驅(qū)動單元的信號經(jīng)過光電隔離，通過驅(qū)動繼電器的線圈來實現(xiàn)接觸器KMl和KM2的閉合及關(guān)斷。圖2是一種三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制器的主電路圖，電動機三相繞組與接觸器KMl形成角接，與接觸器KM2星接，再與三相可控硅開關(guān)SCR串聯(lián)，接至三相電源。具體地，其拓撲結(jié)構(gòu)為KMl將電動機繞組端線Ul與W2，Vl與U2，Wl與V2相連。圖3為上述三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制器主電路中角接的另一種拓撲結(jié)構(gòu)圖。圖3中的接觸器KMl與三相繞組角接的拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，KMl將電動機繞組端線Ul與V2，Vl與W2，Wl與U2相連。圖4是本發(fā)明裝置的的二次回路圖。單片機給KMl的驅(qū)動電路發(fā)出低電平信號， 繼電器KAl的線圈通電，常開觸點KAl-O閉合，KMl線圈閉合，KMl的常閉觸點KMl-C斷開， 此時KM2線圈斷電，保證了 KMl閉合的同時KM2處于關(guān)斷狀態(tài)。同理KM2閉合的同時KMl 一定關(guān)斷。實現(xiàn)了 KMl和KM2之間的互鎖。參照圖2連接主電路，三相電動機繞組星角軟切換控制方法流程如圖5所示，具體實施步驟如下步驟1 單片機給驅(qū)動電路發(fā)出信號，閉合KMl后，使SCR三相同時導通；電動機進入角接運行工作模式；步驟2 檢測單元檢測到電源側(cè)電壓和電流信號；步驟3 =AD轉(zhuǎn)換器將電壓和電流的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號；步驟4 單片機分析計算出電動機負載率β和星角切換臨界負載率β。；步驟5 如果β < β。，進入步驟6，否則保持角接運行狀態(tài)；步驟6 單片機在SCRl過零自然關(guān)斷后，控制KMl斷開；步驟7 單片機給驅(qū)動電路發(fā)出信號控制ΚΜ2閉合，然后控制SCR根據(jù)星角軟切換的觸發(fā)策略觸發(fā)導通；步驟8 如果β > β。，進入步驟9，否則保持星接運行狀態(tài)；
步驟9 單片機在SCR過零自然關(guān)斷后，控制KM2斷開；步驟10 單片機給驅(qū)動電路發(fā)出信號控制KMl閉合，然后控制SCR根據(jù)星角軟切換的系列觸發(fā)策略觸發(fā)導通；步驟11 重復(fù)4到10的步驟，實現(xiàn)三相電動機繞組星角的頻繁軟切換。對于步驟7和步驟10中星角軟切換的實施，是通過單片機控制單元連續(xù)地發(fā)指令給可控硅的觸發(fā)單元，控制三對可控硅開關(guān)按照二相導通與三相導通交替的方式實施系列觸發(fā)控制，最后結(jié)束于可控硅開關(guān)三相同時導通的工作狀態(tài)。電動機的這種星角軟切換控制，實現(xiàn)了對定子磁鏈進行逐步調(diào)整，從而消除了電動機定子側(cè)的沖擊電流。星角軟切換具體觸發(fā)控制策略如下步驟Xl 可控硅開關(guān)SCR中BC相晶閘管在Ubc峰值點為基準的延遲角度α Q開始觸發(fā)；步驟X2 在B相和C相電流Ib和Ic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(fā)角度；步驟X3 在C相電流過零自然關(guān)斷后，電動機處于AB導通狀態(tài)。以Uab峰值點為基準的延遲角度α 1C作為C相觸發(fā)角度，使C相導通，電動機重新進入三相導通狀態(tài)；步驟X4 在B相電流過零自然關(guān)斷后，電動機處于CA導通狀態(tài)。以Ua峰值點為基準的延遲角度α 1Β作為B相觸發(fā)角度，使B相導通，電動機重新進入三相導通狀態(tài)；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(fā)角α 2Α、α 2C和 α 2Β對A、C和B相可控硅開關(guān)進行導通，實現(xiàn)電動機在半個周波內(nèi)二相導通與三相導通交替狀態(tài)；步驟)(6 每個半波給定一組新的觸發(fā)角，重復(fù)上述步驟。步驟X7:設(shè)定終止觸發(fā)角α 1Q，在5個周波內(nèi)完成星接的軟切換。上述星角軟切換的觸發(fā)角度 α 1(1的取值范圍是130°到70°。通過三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置及控制方法，能夠在星角切換過程中很好地消除電動機繞組在星角切換的電流沖擊，從而提高了星角切換節(jié)能的效率，采用三對可控硅開關(guān)的半固態(tài)控制裝置成本也得到了降低。
權(quán)利要求
1.一種三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置，其特征在于，包檢測單元、單片機控制單元、驅(qū)動單元、觸發(fā)單元、接觸器、可控硅、主電路其它元件及接線；檢測單元與單片機單元相連，為單片機采集和處理電氣模擬量信號；單片機控制單元輸出命令至驅(qū)動單元， 控制接觸器的閉合和分斷，接觸器與電動機三相繞組相連，構(gòu)成星型連接和角型連接；單片機控制單元輸出命令至觸發(fā)單元，控制串聯(lián)于電源和電動機之間的可控硅實施星角軟切換控制；主電路其它元件及接線首端連接三相交流電源，接至接觸器和可控硅，最后連接電動機繞組，另外還將交流變?yōu)橹绷麟娫唇o單片機單元和驅(qū)動單元供電；檢測單元由電壓互感器和電流傳感器組成，用于實時采集和處理電動機電壓和電流信號；驅(qū)動單元包含由繼電器模塊和其它功率放大元件，用來驅(qū)動接觸器線圈控制開關(guān)的閉合和關(guān)斷；觸發(fā)單元包含脈沖發(fā)生器件、門電路和其它功率器件，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖用于控制可控硅開關(guān)的導通與關(guān)斷。接觸器由角接接觸器KMl和星接接觸器KM2構(gòu)成，KMl用于與電動機繞組角型型連接，KMl用于與電動機繞組星型連接?？煽毓栌扇龑煽毓栝_關(guān)構(gòu)成，用SCR表示，串聯(lián)接線于電源與電動機繞組之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置，其特征在于， 控制單元采用任何8位以上的通用單片機芯片；單片機控制單元還包括A/D轉(zhuǎn)化單元，將檢測單元檢測到的電壓和電流信號轉(zhuǎn)化成單片機能處理的數(shù)字信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置，其特征在于， 可控硅開關(guān)可以是雙向晶閘管、反并聯(lián)晶閘管、GT0, IGBT、IGCT。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置，其特征在于， 在接觸器線圈和驅(qū)動單元的連接電路中，角接接觸器KMl和星接接觸器KM2之間是互鎖的， 避免了主電路星接和角接之間切換時同時閉合而造成短路，提高了裝置的安全性和可靠性。
5.一種采用權(quán)利要求1所述裝置進行三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制方法，其特征在于，包括一下步驟(1)檢測單元檢測三相電動機的電流和電壓信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，單片機分析計算電動機負載率β和星角切換臨界負載率β。；(2)當β< β。，單片機控制單元給驅(qū)動單元發(fā)信號，控制接觸器KMl關(guān)斷，ΚΜ2閉合， 再給觸發(fā)單元發(fā)信號，按照星角軟切換觸發(fā)控制策略觸發(fā)導通可控硅SCR，使三相電動機由角接向星接進行軟切換，具體執(zhí)行步驟；(3)當β> β。，單片機控制單元給驅(qū)動單元發(fā)信號，控制接觸器ΚΜ2關(guān)斷，KMl閉合， 再給觸發(fā)單元發(fā)信號，按照星角軟切換觸發(fā)控制策略觸發(fā)導通可控硅SCR，使三相電動機由星接向角接進行軟切換，具體執(zhí)行步驟；(4)執(zhí)行星角軟切換觸發(fā)控制操作，具體如下單片機檢測到電源線電壓Ubc的過零點之后，延時α ο角度開始對SCR實施系列觸發(fā)控制，使三相按照BC-ABC-AB-ABC-CA-ABC-的順序?qū)?，期間逐步調(diào)整觸發(fā)角度從α工到α η， 最終結(jié)束于ABC三相完全導通，使電流與轉(zhuǎn)矩都平滑無沖擊地過渡到穩(wěn)態(tài)。
全文摘要
一種三相電動機繞組星角軟切換半固態(tài)控制裝置及控制方法，屬于電機及運動控制技術(shù)領(lǐng)域。裝置包括檢測單元、單片機控制單元、驅(qū)動單元、觸發(fā)單元、接觸器、可控硅、主電路其它元件及接線。檢測單元與單片機單元相連，接觸器與電動機三相繞組相連，構(gòu)成星型連接和角型連接；主電路其它元件及接線首端連接三相交流電源，接至接觸器和可控硅，最后連接電動機繞組，另外還將交流變?yōu)橹绷麟娫唇o單片機單元和驅(qū)動單元供電。優(yōu)點在于，通過系列觸發(fā)控制實現(xiàn)電動機磁鏈在三相繞組星接和角接之間能夠平滑地過渡，從而抑制了星角切換過程中的電流和轉(zhuǎn)矩沖擊，提高了星角切換節(jié)能效率的同時也保證了星角軟切換的快速性。
文檔編號H02P1/32GK102412765SQ20111037014
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者崔學深, 龐繼偉, 朱亮, 石朋飛 申請人:華北電力大學