专利名称：基于可控硅的感应电动机星角软起动控制方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电机及运动控制领域，具体涉及一种基于可控硅的感应电动机星角软起动控制方法及装置。
背景技术：
感应电动机起动方式有直接起动、星角降压起动、转子回路串电阻或串频敏变阻器起动、液阻软起动、磁控软起动、晶间管的交流调压软起动和分级交交变频软起动等，其中星角降压起动和晶间管的交流调压软起动是比较简单有效的起动方式，但是星角降压起动在降低起动电流的同时也减小了堵转转矩，只适用于空载或轻载起动工况，而晶闸管的交流调压软起动用微电子通过晶闸管实现软起动，然而由晶闸管引起的高次谐波也较为严重；其他起动方式也都有或多或少的缺点，有的会产生大电流，有的会带来了额外的损耗， 有的甚至还会产生振动。感应电动机星角起动方法是一种简单而易实现的降压起动方式，在起动初始阶段电动机绕组采用星型连接，起动超过临界转速后转换为角型连接直到稳态运行状态，初始阶段星接起动能够减小起动电流，避免电动机起动电流过大对电网的冲击。传统的星角起动装置是通过单片机控制星接接触器和角接接触器导通和关断来实现的，起动瞬间和星角切换时接触器弧光易造成短路，安全性和可靠性差；一种解决方案是用可控硅代替接触器，能够避免有触点引起的电弧，但如果没有对可控硅有效的触发控制，仍然不能消除起动初始瞬间和星角切换瞬间的瞬态冲击电流。
发明内容
本发明采用一种基于可控硅的感应电动机星角软起动控制方法及装置，能够克服传统星角起动方法及起动装置的缺点，采用无触点无电弧的可控硅开关，通过不同阶段对可控硅实施的系列触发控制实现电动机磁链的平滑过渡，能够减小起动电流并抑制起动过程中星接起动瞬间和星角切换时的电流冲击，从而实现电动机的星角软起动。这种软起动结构简单，维护工作量小，功能齐全，还可以减少谐波的影响，降低电机起动时的噪声及消除电动机的振动。本发明提供的基于可控硅的感应电动机星角软起动控制方法，在感应电动机的星角起动控制过程中，先进行电动机三相绕组星接软投入，消除电动机起动过程中的电流冲击，再保持星接运行至稳定状态，然后在适当的切换点由定子绕组星接软切换到定子绕组角接，消除电动机星角切换中的电流和转矩冲击，最后保持角接运行至再次进入稳定状态， 从而实现这类电动机的限流和限转矩的软起动过程。具体步骤如下(参见图2和图3)步骤1，起动初始阶段先闭合星接接触器KM2 ；步骤2，通过对SCR2的三相可控硅进行系列触发控制实现电动机的星接软投入 以α 初始触发角触发导通BC两相，之后每半个周波逐步调整触发角度从、到Ci9，使三相按照ABC-CA-ABC-AB-ABC-BC-的顺序导通，在5个周波内完成触发角度的调整，最终ABC三相完全导通，电流与转矩都已平滑无冲击地过渡到稳态；步骤3，保持电动机处于完全星接起动状态；步骤4，单片机判断电动机的转差率是否小于临界转差率(判断s < S。)，如果“否” 返回步骤3，如果“是”执行步骤5 ；步骤5，关断星接可控硅SCR2的触发；步骤6，断开星接接触器KM2，闭合角接接触器KMl ；步骤7，通过对SCRl的的三相可控硅进行系列触发控制实现电动机的星角软切换以 α D0 为初始触发角度，使三相按照 V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、V1U2-U1W2、 V1U2、W1V2-U1W2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α Jlj α 9， 使磁链控制到角接绕组电压(380V)所对应的大小，5个周波后ABC三相完全导通，使电流与转矩都平滑无冲击地过渡到稳态；步骤8，保持电动机处于完全角接起动状态直到星角起动结束。本发明还涉及一种感应电动机星角软起动控制装置，包括电压检测单元、单片机控制单元、星接软投入开关、星角软切换开关、主电路其他元件与接线。电压检测单元采集电源电压信号，提供给单片机控制单元作为触发控制依据；单片机控制单元发出命令给星接软投入开关，控制其中的元件执行星接软投入操作；单片机控制单元发出命令给星角软切换开关，控制其中的元件执行星角软切换操作；星接软投入开关与被控的电动机星型连接，星角软切换开关与被控的电动机角型连接；主电路其他元件与接线连接电源和被控电动机之间的所有元器件及其二次控制回路的接线。电压检测单元由电压互感器及其调理电路构成，用于实时采集电动机电压参数。单片机控制单元单片机控制单元包括单片机芯片、A/D转换器件和接触器驱动电路和可控硅触发控制电路。单片机芯片可采用任何8位以上的通用芯片作为核心；A/D转换器件将电压检测单元检测到的电压模拟信号转化成单片机芯片能处理的数字信号；单片机芯片控制接触器驱动电路闭合或断开接触器；单片机芯片控制可控硅触发电路触发导通或关断可控硅。星接软投入开关由可控硅SCR2和接触器ΚΜ2串联组成，与定子三相绕组连成星型接法。星角软切换开关由可控硅SCRl和接触器KMl串联组成，与定子三相绕组连成角型接法。主电路其他元件与接线包括连接电源和被控电动机的空气开关QF以及与星接软投入开关和星角软切换开关之间的所有连接线，还包括装置二次控制回路的接线。本发明的有益效果本发明采用感应电动机星角软起动控制方法，利用无触点无电弧的可控硅，通过系列触发控制实现电动机磁链在三相定子绕组星角软起动过程中能够平滑地过渡，从而抑制了星角软起动过程中的电流和转矩冲击，消除了星角软起动中的高次谐波、噪声及振动，同时也保证了星角软起动的易操作性。
图1为本发明控制装置示意图。图2为本发明的感应电动机星角软起动控制装置主电路图，其中KMl和ΚΜ2是接触器，U1-U2，V1-V2，W1-W2分别是电动机的定子三相绕组接线头，接触器KMl与SCRl串联， 再与电动机绕组形成角型连接(使Ul与V2，Vl与W2，Wl与U2相连)；接触器KM2与可控硅模块SCR2串联，进一步与电动机绕组形成星型连接。图3为本发明的控制方法流程图。
具体实施例方式下面通过附图对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。星角软起动的基本方法是通过单片机控制可控硅的触发电路，依据软起动触发策略进行触发，使可控硅按照二相导通与三相导通交替的方式实施系列触发控制，逐步对定子磁链进行调整，最后达到三相同时导通，先后实现电动机定子绕组星接软投入、保持星接运行至稳定状态、在适当的切换点由定子绕组星接软切换到定子绕组角接、保持角接运行至再次进入稳定状态，从而实现电动机的星角软起动全过程，减小了电动机起动时定子侧的冲击电流。参照本发明控制装置示意图(如图1所示)。控制装置主电路和电动机相连接，电压互感器检测电源侧的电压。电压信号经调理电路变为-10V-+10V之间。通过AD转换器将其转换成数字量传输给单片机。单片机精确计算电压队。信号的峰值点，作为基准发出驱动信号。其中驱动可控硅的信号先经过光电隔离，然后通过脉冲生成电路形成触发脉冲，进而控制可控硅SCRl和SCR2的导通；而驱动接触器的信号经过光电隔离，通过驱动继电器的线圈来实现接触器KMl和KM2的闭合及关断。参照图2所示，基于可控硅的感应电动机绕组星角软起动控制方法总体来说分为两步第一步，感应电动机进行定子绕组星接软投入。此时，SCRl未触发导通，KMl断开。先闭合KM2，然后通过SCR2软投入的系列触发控制实现SCR2的导通，开始进行定子绕组星接软投入。星接软投入以α TO为初始触发角对SCR2实施系列触发控制，使三相按照 BC-ABC-CA-ABC-AB-ABC-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α工到α η，在5个周波内实现定子绕组星接时的软投入，此时三相完全导通，电流与转矩都已平滑无冲击地过渡到稳态，保持电动机处于完全星接运行状态。具体的系列触发控制方法的步骤如下步骤Xl 可控硅组SCR2中BC相晶闸管在Ubc峰值点为基准的延迟角度α γο开始触发；步骤Χ2 在B相和C相可控硅电流Ib和Ie未过零前，以Ubc峰值点为基准的延迟角度α 1Α作为第三相A导通触发角度；步骤Χ3 在C相电流过零自然关断后，电动机处于AB导通状态。以Uab峰值点为基准的延迟角度α 1C作为C相触发角度，使C相导通，电动机重新进入三相导通状态；步骤X4 在B相电流过零自然关断后，电动机处于CA导通状态。以Ua峰值点为基准的延迟角度α 1Β作为B相触发角度，使B相导通，电动机重新进入三相导通状态；步骤)(5 在下半个周波以UBC、Uab和Uca的负峰值点为基准的触发角α 2Α、α 2C和 α 2Β对A、C和B相可控硅进行导通，实现电动机在半个周波内二相导通与三相导通交替状态；
5
步骤)(6 每个半波给定一组新的触发角，重复上述步骤。步骤X7 设定终止触发角α 9，在5个周波内完成定子绕组星接时的软投入。第二步，感应电动机进行定子绕组星角软切换。当单片机判断s > sc (sc为临界转差率，即最大电磁转矩对应的转差率)，电动机进行从星接软切换到角接，此时KMl断开，闭合ΚΜ1，SCRl 通过星角软切换的系列触发控制实现自身的导通，单片机检测到电源线电压Ubc的峰值点之后，延时α D0角度开始对SCRl实施系列触发控制，使三相按照V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、 W1V2-U1W2, V1U2-U1W2, V1U2,W1V2-U1W2,W1V2-U1W2, V1U2, W1V2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从Q1到α 9，使磁链控制到角接绕组电压(380V)所对应的大小，最终三相完全导通，使电流与转矩都平滑无冲击地过渡到稳态，保持电动机处于完全角接运行状态直到星角起动结束。星角软切换的具体触发控制策略和星接软投入相似，只是具体的可控硅系列触发角度不同，星接软投入的初始触发角α TO取值范围是30° 60° ；星角软切换的初始触发角α M取值范围是60° 90°。通过基于可控硅的感应电动机星角软起动控制方法和控制装置，能够实现电动机星角软起动，很好地减小了电动机定子绕组在星角降压起动过程中的电流冲击，消除了晶闸管交流调压等软起动中的高次谐波、噪声及振动等问题。
权利要求
1.一种基于可控硅的感应电动机星角软起动控制方法，其特征在于，具体步骤如下(1)起动初始阶段先闭合星接接触器KM2；(2)通过对SCR2的三相可控硅进行系列触发控制实现电动机的星接软投入以αYQ为初始触发角触发导通BC两相，之后每半个周波逐步调整触发角度从、到Ci9，使三相按照 ABC-CA-ABC-AB-ABC-BC-的顺序导通，在5个周波内完成触发角度的调整，最终ABC三相完全导通，电流与转矩都已平滑无冲击地过渡到稳态；(3)保持电动机处于完全星接起动状态；(4)单片机判断电动机的转差率是否小于临界转差率，即s< S。；如果“否”返回步骤 (3)，如果“是”执行步骤(5)；(5)关断星接可控硅SCR2的触发；(6)断开星接接触器KM2，闭合角接接触器KMl；(7)通过对SCRl的的三相可控硅进行系列触发控制实现电动机的星角软切换以 α D0 为初始触发角度，使三相按照 V1U2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-U1W2、V1U2-U1W2、V1U2、 W1V2-U1W2、W1V2-U1W2、V1U2、W1V2-的顺序导通，期间逐步调整触发角度从α i到α 9，使磁链控制到角接绕组电压380V所对应的大小，5个周波后ABC三相完全导通，使电流与转矩都平滑无冲击地过渡到稳态；(8)保持电动机处于完全角接起动状态直到星角起动结束。
2.一种实现权利要求1所述方法的基于可控硅的感应电动机星角软起动控制装置，其特征在于，包括电压检测单元、单片机控制单元、星接软投入开关、星角软切换开关、主电路其他元件与接线；电压检测单元采集电源电压信号，提供给单片机控制单元作为触发控制依据；单片机控制单元发出命令给星接软投入开关，控制其中的元件执行星接软投入操作； 单片机控制单元发出命令给星角软切换开关，控制其中的元件执行星角软切换操作；星接软投入开关与被控的电动机星型连接，星角软切换开关与被控的电动机角型连接；主电路其他元件与接线连接电源和被控电动机之间的所有元器件及其二次控制回路的接线。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的电压检测单元由电压互感器及其调理电路构成，用于实时采集电动机电压参数。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的单片机控制单元包括单片机芯片、 A/D转换器件和接触器驱动电路和可控硅触发控制电路。单片机芯片可采用任何8位以上的通用芯片作为核心；A/D转换器件将电压检测单元检测到的电压模拟信号转化成单片机芯片能处理的数字信号；单片机芯片控制接触器驱动电路闭合或断开接触器；单片机芯片控制可控硅触发电路触发导通或关断可控硅。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的星接软投入开关由可控硅SCR2 和接触器ΚΜ2串联组成，与定子三相绕组连成星型接法。
6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的星角软切换开关由可控硅SCRl和接触器KMl串联组成，与定子三相绕组连成角型接法。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述的主电路其他元件与接线包括连接电源和被控电动机的空气开关QF以及与星接软投入开关和星角软切换开关之间的所有连接线，还包括装置二次控制回路的接线。
全文摘要
一种基于可控硅的感应电动机星角软起动控制方法及装置，属于电机及运动控制技术领域。在感应电动机的星角起动控制过程中，先进行电动机三相绕组星接软投入，消除电动机起动过程中的电流冲击，再保持星接运行至稳定状态，然后在适当的切换点由定子绕组星接软切换到定子绕组角接，消除电动机星角切换中的电流和转矩冲击，最后保持角接运行至再次进入稳定状态，从而实现这类电动机的限流和限转矩的软起动过程。装置，包括电压检测单元、单片机控制单元、星接软投入开关、星角软切换开关、主电路其他元件与接线。优点在于，在三相定子绕组星角软起动过程中能够平滑地过渡，抑制了电流和转矩冲击，消除了高次谐波、噪声及振动，同时也保证了星角软起动的易操作性。
文档编号H02P1/32GK102510247SQ20111037031
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者崔学深, 张自力, 朱亮, 石朋飞, 裴佳 申请人:华北电力大学