基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统，包括微控制器MCU、预充磁磁场矢量控制电路，所述预充磁磁场矢量控制电路由均与微控制器MCU连接的六只电力晶闸管组成，三相交流电源的A、B、C相分别两只电力晶闸管与三相异步电动机连接；所述微控制器MCU分别与设置在三相交流电源的A、B、C相与三相异步电动机之间的第一电流互感器、第二电流互感器、第三电流互感器连接；还公开了一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法；通过本发明能够为三相预充磁和两相预充磁，使定子达到“预热”的效果。
【专利说明】
基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统及其方法
技术领域
[0001] 本发明属于电机变频软起动技术领域，具体设及一种基于预充磁的感应电机旋转 磁场变频软起动系统及其方法。
【背景技术】
[0002] 在改变电压的同时不改变电源频率存在两个严重的缺点：一、起动转矩小，=相交 流感应电动机起动转矩和所加的定子侧端电压的平方成正比，当电压降低时，起动转矩W 电压降低的平方倍数降低。在重载或满载起动时会使电机进入堵转保护而起动失败;二、不 能改变定子磁场的转速，起动转差过大；电机刚起动时，转子转速较低，=相晶闽管降压起 动的定子磁场是W同步转速在转动，相对于低转速的转子，转差很大。
[0003] 在此之前有人提出过离散变频，离散变频是基于工频=相电，通过晶闽管使某些 正弦半波导通而某些不导通来改变输入电机的电源频率，W此来产生变频的效果，运在理 论上是没有问题的，但是经过仿真和实验发现离散变频后的电源谐波含量很大，用15KW的 异步电机带45%的负载时便出现谐波影响很大，电机抖动明显的现象。
[0004] 变频器也有被用作软起动器的，虽然起动效果较好，但变频器在技术上属于交- 直-交结构，它首先将=相工频电源进行=相桥式不可控整流，然后对整流输出的直流电压 进行滤波，最后采用脉冲宽度调制(PWM)技术输出电压频率都可调的可控交流电，变频器结 构、技术复杂，成本较高，做变频器使用不易于普及推广。
[0005] 综上所示，目前软起动技术存在着起动电流大、脉动转矩分量较大、起动转矩低、 起动过程谐波含量高等特点。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频 软起动系统及其方法。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是运样实现的：
[000引本发明实施例提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统，该系统 包括微控制器MCU、预充磁磁场矢量控制电路，所述预充磁磁场矢量控制电路由均与微控制 器MCU连接的六只电力晶闽管组成，S相交流电源的A、B、C相分别两只电力晶闽管与S相异 步电动机连接;所述微控制器MCU分别与设置在S相交流电源的A、B、C相与S相异步电动机 之间的第一电流互感器、第二电流互感器、第=电流互感器连接。
[0009] 本发明实施例还提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法，该方 法为：依次对=相异步电动机的=相或者任意两相对应的定子预充磁，然后根据所述定子 预充磁的定子磁链方向依次切换=相异步电动机的电机起动电压，最后根据六边形电压矢 量控制立相异步电动机的变频软起动。
[0010] 上述方案中，所述根据六边形电压矢量控制=相异步电动机的变频软起动，具体 为:7分频下在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开一组两相循环导通并且导通中间设置 有第一间隔角度;待=相异步电动机到达额定转速后切换到4分频下运行，在一个旋转磁场 矢量控制周期内每次开两组两相循环导通并且导通中间设置有第二间隔角度;待=相异步 电动机到达额定转速后切换到3分频下运行，在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开=组 两相循环导通并且导通中间设置有第=间隔角度;待=相异步电动机到达额定转速后切换 到2分频下运行，在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开六组组两相循环导通并且导通中 间设置有第四间隔角度，待=相异步电动机到达额定转速后切换到工频电源，电压直接调 到工频电压或继续按调压起动方式迅速增大起动电压，直到电机起动完成达到额定转速， 形成了对电机预充磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。
[0011] 上述方案中，所述旋转磁场矢量控制周期为AC-BC-BA-CA-CB-AB相。
[0012] 上述方案中，所述第一间隔角度、第二间隔角度、第S间隔角度、第四间隔角度均 大于等于=十度。
[0013] 与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0014] 本发明能够分别为=相预充磁和两相预充磁，=相预充磁是对=相电机的=相都 适当地接入电网一段合适的时间而两相预充磁是对=相电机的任意两相适当地接入电网 一段合适的时间，使电机的定子达到"预热"的效果;接着电机进入软起动，把软起动的第一 个电压磁链无缝连接到预充磁形成的磁链中，从而达到使电机起动平稳和增大起动转矩的 目的；同时，在电机起动过程中利用六边形旋转磁场原理实现7、4、3、2、1分频的变频过程， 至此实现电机能平稳缓慢起动和增大电机起动转矩降低起动电流的目的
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实施例提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统的 主回路结构拓扑图；
[0016] 图2为本发明对电机S相和两相充磁时的S相电源导通电压波形图。、；
[0017] 图3为本发明在7分频、4分频、3分频、2分频和工频下的旋转磁场矢量控制的=相 电源导通电压波形图；
[0018] 图4为本发明在7分频下对称的S相电源电压相量图；
[0019] 图5为本发明在7分频、4分频、3分频、2分频下的磁场矢量控制软起动器各个导通 区间对应的电压相量图。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0021] 本发明实施例提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统，如图1 所示，该系统包括微控制器MCU7、预充磁磁场矢量控制电路，所述预充磁磁场矢量控制电路 由均与微控制器MCU7连接的六只电力晶闽管组成，S相交流电源的A、B、C相分别两只电力 晶闽管与=相异步电动机11连接;所述微控制器MCU7分别与设置在=相交流电源的A、B、C 相与=相异步电动机11之间的第一电流互感器8、第二电流互感器9、第=电流互感器10连 接。
[0022] 具体地，第一晶闽管I和第四晶闽管4实现对交流电源A相的控制，第=晶闽管3和 第六晶闽管6实现对交流电源B相的控制，第五晶闽管5和第二晶闽管2实现对交流电源C相 的控制；其中所述第一晶闽管1、第S晶闽管3、第五晶闽管5分别控制A、B、C相的正半周，所 述第四晶闽管4、第六晶闽管6、第二晶闽管2分别控制A、B、C相的负半周;所述第一电流互感 器8、第二电流互感器9、第S电流互感器10用于将S相电流信号传递给微控制器MCU7用于 对电流监测和做限流起动。
[0023] 例如:如图3的A图所示，其中AC相表示WA相过零上升沿开始计算触发角第一开晶 闽管1、第二晶闽管2;BC相表示WC相过零下降沿开始计算触发角开第S晶闽管3、第二晶闽 管2;BA相表示WB相过零上升沿开始计算触发角开第S晶闽管3、第四晶闽管4;CA相表示W A相过零下降沿开始计算触发角开第五晶闽管5、第四晶闽管4;CB相表示WC相过零上升沿 开始计算触发角开第五晶闽管5、第六晶闽管6;AB相表示WB相过零下降沿开始计算触发角 开第一晶闽管1、第六晶闽管6。、
[0024] 所述晶闽管的触发角度范围从30°到210°。
[0025] 本发明实施例还提供一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法，该方 法为:依次对=相异步电动机11的=相或者任意两相对应的定子预充磁，然后根据所述定 子预充磁的定子磁链方向依次切换=相异步电动机11的电机起动电压，最后根据六边形电 压矢量控制立相异步电动机11的变频软起动。
[0026] 如图2的A图和B图所示，A图阴影部分为S相预充磁下的S相电压导通的电压波 形，WAC和BC相为例说明，当A相过零点角度为ai(ai<210°)时，由微控制器MCU7同时给第一 晶闽管1、第二晶闽管2发送触发信号，4相正半周和(：相的负半周导通，此时电机电压为^>〇1; 紧接着检测到C相的过零点角度为ai时由微控制器MCU7同时给第S晶闽管3、第二晶闽管2 发送触发信号，B相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为&WU。至此，形成一定强度 的定子磁链，方向先是AC方向增长，然后转到BC方向增长，总的磁场是不断增大的。B图阴影 部分为两相预充磁下的=相电压导通的电压波形，WAC相为例说明，当A相过零点角度为曰1 (口1<210°)时，由微控制器MCU7同时给第一晶闽管1、第二晶闽管2发送触发信号，A相正半 周和C相的负半周导通，此时电机电压为/;。1;其中电压也Ui、相"郝^庄要根据电机负 载来选择，目的是对电机定子预充磁时使电机转子拥有能量，但却是将转未转或刚转起来 的状态。
[0027] 预充磁其余均Wl50°晶闽管的触发角为例说明；在所述微控制器7的控制 下，先给电机定子预充磁，如图2的A图所示，为对电机=相预充磁，即先用晶闽管对电机= 相通S相电，例如预充磁时先对电机的AC相触发角为120%接着对电机的BC相触发角为 120°，定子磁链先是AC相增长，接着BC相增长AC相开始衰减，磁链由AC相方向转移到BC相方 向。在进入软起动时就得按磁链方向切换电机起动电压。如图2的B图所示，对电机两相预充 磁，即先用晶闽管对电机任意两相对一次电压，例如预充磁时对电机的AC相触发角为120° 就形成AC方向的定子磁链，接着顺着预充磁的定子磁链方向切换电机起动电压。
[0028] 所述根据六边形电压矢量控制=相异步电动机11的变频软起动，具体为:7分频下 在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开一组两相循环导通并且导通中间设置有第一间隔 角度;待=相异步电动机11到达额定转速后切换到4分频下运行，在一个旋转磁场矢量控制 周期内每次开两组两相循环导通并且导通中间设置有第二间隔角度;待=相异步电动机11 到达额定转速后切换到3分频下运行，在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开=组两相循 环导通并且导通中间设置有第=间隔角度;待=相异步电动机11到达额定转速后切换到2 分频下运行，在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开六组组两相循环导通并且导通中间设 置有第四间隔角度，待=相异步电动机11到达额定转速后切换到工频电源，电压直接调到 工频电压或继续按调压起动方式迅速增大起动电压，直到电机起动完成达到额定转速，形 成了对电机预充磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。
[0029] 所述旋转磁场矢量控制周期为AC-BC-BA-CA-CB-AB相。
[0030] 所述第一间隔角度、第二间隔角度、第S间隔角度、第四间隔角度均大于等于S十 度。
[0031] 具体地，如图3的A图，即先给AC相通电压；间隔420°后给BC相通电压；间隔420°后 给BA相通电压；间隔420°后给CA相通电压；间隔420°后给CB相通电压；间隔420°后给AB相通 电压，形成AC-BC-BA-CA-CB-AB每次开两相循环导通每次导通间隔420°，运样经过7个工频 周期后完成一个旋转磁场矢量控制周期，并且每次触发晶闽管时的触发角度，即电压可调， 又由于磁场矢量控制的周期为50/7^7.14出，结合前面的电压调节，可W根据实时负重改 变电压/频率比，即尽可能保持电机转矩恒定。待电机到达7分频下的额定转速后切换到4分 频下运行。如图3的B图，其中4分频就是在前面7分频的基础下开AC和BC相中间不再间隔 420°连着触发，接着间隔420°后再接连开BA和CA相，间隔420°后再接连开CB和AB相。待电机 达到4分频下的额定转速后切换到3分频下运行。如图3的C图，3分频原理同4分频一样，在7 分频的基础下接连开AC、BC和BA相，接着间隔420°后再接连开CA、CB和AB相。待电机到达3分 频的额定转速后切换到2分频下运行。如图3的D图，2分频的原理同3分频一样，在7分频的基 础下在一个周期内接连开4(：、8(：、84、〔4、〔8和48相，间隔360°后再重复上面的过程。待电机 到达2分频下的额定转速后迅速切换到工频电源，如图3的E图，此时电压可直接调到工频电 压或继续按调压起动方式迅速增大起动电压，直到电机起动完成达到额定转速。运样就形 成了对电机预充磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。本发明能使电 机定子在充磁的基础上缓慢起动不至于抖动过大，能有效降低电机起动电流的同时，又不 损失电机的起动转矩，做到真正的小电流、大转矩起动，与目前的电机软起动技术相比，具 有明显优势。
[0032] 给电机定子充磁后，电机已经获得一定的能量，开始进入电机软起动阶段。W附图 3中A图S相电压波形为参考，S相电压相量图如附图4所示，当A相过零点角度为〇3(曰3< 210°)时，对应某个时刻，由微控制器MCU7同时给第一晶闽管1、第二晶闽管2发送触发信号， A相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为此后经过420°，由微控制器7同时给第 =晶闽管3、第二晶闽管2发送触发信号，B相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为 如；此后再经过420°，由微控制器7同时给第；晶闽管3、第四晶闽管4发送触发信号，B相正 半周和A相的负半周导通，此时电机电压为马a;此后再经过420%由微控制器7同时给第五晶 闽管5、第四晶闽管4发送触发信号，C相正半周和A相的负半周导通，此时电机电压为却J ;此 后再经过420%由微控制器7同时给第五晶闽管5、第六晶闽管6发送触发信号，C相正半周和 B相的负半周导通，此时电机电压为相她后再经过420°，由微控制器7同时给第一晶闽管1、 第六晶闽管6发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为至此，磁 场矢量控制软起动器对=相电源完成一个周期的触发，耗时7个工频周期，为0.14s，即调节 后的电源频率由50出变为7.14出，7分频电机定子电压矢量波形相量图如附图4的A图所示， 一个周期内沿箭头方在空间旋转一周，电机定子磁场方向也在一个周期内沿箭头方向旋转 一周，频率为7.14出。同理，只要在触发完第一晶闽管1、第二晶闽管后不再间隔420°接着触 发第=晶闽管3、第二晶闽管2,间隔420°后触发完第=晶闽管3、第四晶闽管4接着触发第五 晶闽管5、第四晶闽管4,再间隔420°后触发完第五晶闽管5、第六晶闽管6接着触发第一晶闽 管1、第六晶闽管6,至此即完成一个周期的触发，耗时4个工频周期，为0.08s，即调节后的电 源频率由7.14出变为12.5出，4分频电机定子电压矢量波形相量图如附图4的B图所示。同理， 只要在触发完第一晶闽管1、第二晶闽管2后接着触发第=晶闽管3、第二晶闽管2再接着触 发第S晶闽管3、第四晶闽管4,间隔420°后触发完第五晶闽管5、第四晶闽管4后接着触发 第五晶闽管5、第六晶闽管6再接着触发第一晶闽管1、第六晶闽管6,至此完成一个耗时 0.06s的触发周期，即调节后的电源频率由12.弧变为16.7出，3分频电机定子电压矢量波形 相量图如附图4的C图所示。同理，接连触发第一晶闽管1、第二晶闽管2,第=晶闽管3、第二 晶闽管2,第S晶闽管3、第四晶闽管4,第五晶闽管5、第四晶闽管4,第五晶闽管5、第六晶闽 管6和第一晶闽管1、第六晶闽管6后间隔360%再触发第一晶闽管1、第二晶闽管2,第=晶闽 管3、第二晶闽管2,第S晶闽管3、第四晶闽管4,第五晶闽管5、第四晶闽管4,第五晶闽管5、 第六晶闽管6和第一晶闽管1、第六晶闽管6,至此完成一个耗时0.04s的触发周期，即调节后 的电源频率由16.7出变为25出，2分频电机定子电压矢量波形相量图如附图4的D图所示。在2 分频的基础上中间不再间隔360°即可得到50出的工频电源;顺序把7、4、3、2和工频连接起 来就得到完整的软起动分频过程。
[0033] 如图5所示，A图为7分频下对称的电压相量示意图，B图为4分频下的电压相量示意 图，因为是接连触发两相后再间隔420°，所W后触发的一相电压相量会有所减小。C图为3分 频下的电压相量示意图。D图为2分频和工频下的电压相量示意图。
[0034] 在电机起动过程中触发晶闽管时，通过调节触发角Ox的大小来调节电压大小，由 于磁场矢量控制的周期为50/7^7.14出，结合前面的电压调节，在改变电机频率的同时适 当增加电压可W保持电机转矩维持在恒定范围内，使电机起动平稳过渡。待电机达到 7.14出下的额定转速W后，将电源频率切换至12.5出，待电机达到该频率下的额定转速W后 将电源频率切换到16.7出，待电机转速达到该频率下的额定转速后将电源频率切换到25出， 待电机达到该频率下的额定转速即可将电源频率切换到工频50出，随着频率的增加可将电 压升至额定电压380V或继续按调压方式或限流方式不断增大起动电压，直至电机起动完 成。
[0035] W上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动系统，其特征在于，该系统包括微 控制器MCU、预充磁磁场矢量控制电路，所述预充磁磁场矢量控制电路由均与微控制器MCU 连接的六只电力晶闸管组成，三相交流电源的A、B、C相分别两只电力晶闸管与三相异步电 动机连接;所述微控制器MCU分别与设置在三相交流电源的A、B、C相与三相异步电动机之间 的第一电流互感器、第二电流互感器、第三电流互感器连接。2. -种基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法，其特征在于，该方法为:依次 对三相异步电动机的三相或者任意两相对应的定子预充磁，然后根据所述定子预充磁的定 子磁链方向依次切换三相异步电动机的电机起动电压，最后根据六边形电压矢量控制三相 异步电动机的变频软起动。3. 根据权利要求1所述的基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法，其特征在 于，所述根据六边形电压矢量控制三相异步电动机的变频软起动，具体为:7分频下在一个 旋转磁场矢量控制周期内每次开一组两相循环导通并且导通中间设置有第一间隔角度;待 三相异步电动机到达额定转速后切换到4分频下运行，在一个旋转磁场矢量控制周期内每 次开两组两相循环导通并且导通中间设置有第二间隔角度;待三相异步电动机到达额定转 速后切换到3分频下运行，在一个旋转磁场矢量控制周期内每次开三组两相循环导通并且 导通中间设置有第三间隔角度;待三相异步电动机到达额定转速后切换到2分频下运行，在 一个旋转磁场矢量控制周期内每次开六组组两相循环导通并且导通中间设置有第四间隔 角度，待三相异步电动机到达额定转速后切换到工频电源，电压直接调到工频电压或继续 按调压起动方式迅速增大起动电压，直到电机起动完成达到额定转速，形成了对电机预充 磁条件下的空间矢量旋转磁场7-4-3-2-1分频变频软起动。4. 根据权利要求3所述的基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法，其特征在 于:所述旋转磁场矢量控制周期为AC-BC-BA-CA-CB-AB相。5. 根据权利要求2或3所述的基于预充磁的感应电机旋转磁场变频软起动方法，其特征 在于:所述第一间隔角度、第二间隔角度、第三间隔角度、第四间隔角度均大于等于三十度。
【文档编号】H02P21/34GK105978436SQ201610363473
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】孟彦京, 荣为青, 陈君, 高泽宇, 吴辉, 段明亮, 马汇海, 陈景文
【申请人】陕西科技大学