专利名称：一种电动机星角软切换的半固态控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电动机星角切换技术领域，特别是涉及一种电动机星角软切换的全固态控制器。
背景技术：
电动机星角切换常用于电动机绕组星角切换节能和电动机星角降压起动。电动机绕组星角切换是电动机节能常用手段之一。传统的电动机星角切换装置， 目前常见的有二种第一种利用单片机控制接触器开关实现星角切换。切换不够快速，并且接触器开关在断开时由于电弧的存在，还会引起过电压。第二种采用可控硅无触点开关取代接触器，保证了星角切换的快速性。但是由于可控硅采用三相同时导通的触发策略，切换时仍会产生较大的冲击电流。当电动机负载率频繁变化时，会造成星角切换节能效率的降低。电动机在直接起动时会产生很大的冲击电流，不仅会造成电动机的发热损坏，还会引起供电电网的电压剧烈波动。传统的星角降压起动，无法对电动机的起动电压进行连续调节，在起动过程中星接变为角接时仍会产生较大的电流冲击。电动机星角软切换的半固态控制器就是通过DSP微处理器控制一套晶闸管开关快速地实施星角软切换，消除切换时的电流和转矩冲击，使需要频繁进行星角切换节能和星角起动得以实现。由于只需要一套晶闸管开关，因此它相对于全固态星角软切换控制器结构更加简单，成本也降低了。
发明内容本实用新型的目在于提供一种电动机星角软切换的半固态控制器，克服了现有技术的不足，实现电动机绕组星角软切换节能的同时，还可以实现电动机的星角软起动。本实用新型包括开关元件、数据采集单元、微机控制单元、驱动单元、触发单元、二次回路其他元件及接线。数据采集单元与微机控制单元直接相连，将输入信号提供给微机控制单元；微机控制单元与驱动单元和触发单元分别相连，将各自输出信号分别发出给它们；驱动单元与开关元件中的接触器相连，驱动其闭合或断开；触发单元与开关元件中的晶闸管相连，实施星角软切换控制；二次回路其它元件包含变压器和开关电源等器件，作为微机控制单元、触发单元和驱动单元一部分的直流电源，另外还包含驱动单元互锁回路的一些接线。开关元件包括一套(三对)反并联晶闸管和两个接触器，还包括一个空气断路器， 对电路进行保护。其中反并联晶闸管是本实用新型的主要开关元件，可以由双向晶闸管或其他电力电子开关取代；两个接触器分别构成电动机的星接和角接，再与一套反并联晶闸管串联，因此称为半固态控制器。其中，三对反并联晶闸管SCR和接触器KM1串联，在三相电源和电动机绕组之间构成回路，形成电动机的角接；三对反并联晶闸管SCR和接触器KM2串联，在三相电源和电动机绕组之间构成回路，形成电动机的星接；在三相电源和电动机定子绕组之间接入空气断路器，对主电路起到保护的作用。数据采集单元由二个电压互感器和一个电流互感器构成。其中一个电压互感器的二个输入端分别和主电路中电源的A相和B相并联，检测电源三相线电压UAB。另外一个电压互感器的二个输入端分别和主电路中电源的B相和C相并联，检测电源三相线电压Ubco 电压互感器的输出端经过电压调理电路连接到微机控制单元。电流互感器从主电路中采集三相相电流信号，输出端经过调理电路连接到微机控制单元。微机控制单元包括了 DSP芯片和AD转化芯片。其中DSP采用TI公司的 TMS320F2812。AD转化芯片采用2片AD7656，能同时对12个通道的信号进行数模转化。检测单元检测到的信号输入到DSP后，进入AD转化芯片完成数模转化后，DSP将对数字信号进行分析处理，然后输出信号实现对开关单元的控制。驱动单元用来驱动接触器，采用二级驱动方式，用DSP的输出驱动继电器，再通过继电器驱动接触器，并使用光耦隔离，将输入和输出的信号在电气上完全隔离。触发单元用来触发晶闸管，采用脉冲列触发的方式，DSP输出的控制信号与脉冲列信号经过门电路，通过MOSFET进行功率放大后，送入脉冲变压器，输出的信号控制晶闸管触发。为了实现对接触器和晶闸管的控制，微机控制单元的输出和驱动单元及触发单元相连接。DSP通过对采集单元采集的信号进行分析处理，判断电动机的负载情况，从而作出是否进行星角软切换的判断。当电动机处于轻载时，电动机由角接向星接进行切换，此时DSP先控制SCR关断， 然后断开KMl，最后按星接软切换方法触发SCR，控制电动机无冲击地切换为星接。当电动机处于重载时，电动机由星接向角接进行切换，此时DSP先控制SCR关断， 然后关断KM2，最后按角接软切换方法触发SCR，控制电动机无冲击地切换为角接。二次回路其他元件中包括380/220的单相变压器、实现接触器二次控制的继电器及二个开关电源。单相变压器从三相电源的任意二相线电压接入，输出的220V交流电压接入开关电源输入端，二个开关电源分别输出5V和12V的直流电压，接入微机控制单元、触发单元和驱动继电器的电源输入端口，作为它们的供电电源。实现接触器二次控制的继电器常开触点和接触器的常闭触点配合，实现KMl和KM2的互锁。与现有技术相比，本实用新型的有益效果是本实用新型利用三对无触点无电弧可控硅开关，通过系列触发控制实现电动机磁链在三相绕组星接和角接之间能够平滑地过渡，从而抑制了星角切换过程中的电流和转矩冲击。当控制器处于电动机绕组星角切换节能模式下时，即使电动机负载频繁变化，也不会降低星角切换节能效率。当控制器处于电动机星角起动模式下，星角切换时电压的突变不会造成电动机的起动电流的增大。
图I为本实用新型的U1-W2，V1-U2，W1-V2形成角接的主电路拓扑结构图。图2为本实用新型的U1-V2，V1-W2，W1-U2形成角接的主电路拓扑结构图。[0024]图3为本实用新型的二次回路图。图4为本实用新型的微机单元控制示意图。
具体实施方式
本实用新型包括开关元件、数据采集单元、微机控制单元、驱动单元、触发单元、二次回路其他元件及接线。数据采集单元与微机控制单元直接相连，将输入信号提供给微机控制单元；微机控制单元与驱动单元和触发单元分别相连，将各自输出信号分别发出给它们；驱动单元与开关元件中的接触器相连，驱动其闭合或断开；触发单元与开关元件中的晶闸管相连，实施星角软切换控制；二次回路其它元件包含变压器和开关电源等器件，作为微机控制单元、触发单元和驱动单元一部分的直流电源，另外还包含驱动单元互锁回路的一些接线。
以下结合附图与具体实施方式
对本实用新型作进一步详细描述图1是本实用新型的本实用新型的U1-W2，V1-U2，W1_V2形成角接的的主电路拓扑结构图。其中SCR是三对反并联晶闸管，KM1和KM2是接触器，U1-U2，V1-V2，W1-W2分别是电动机的三相绕组，QF是空气断路器，LI、L2和L3是三相电源线，N是地线。空气断路器 QF从三相电源接入，空气断路器QF和可控硅SCR串联后，可控硅SCR下端和电动机绕组上端U1、V1、W1相连。接触器KM1上端从电动机绕组上端U1、V1、W1接入，下端和电动机绕组的W2、U2、V2端相连。在电动机绕组下端U2、V2、W2接入接触器KM2。图2是本实用新型的U1-V2，V1-W2，W1-U2形成角接的主电路拓扑结构图。其中 SCR是三对反并联晶闸管，KM1和KM2是接触器，U1-U2，V1-V2，W1-W2分别是电动机的三相绕组，QF是空气断路器，LI、L2和L3是三相电源线，N是地线。空气断路器QF从三相电源接入，空气断路器QF和可控硅SCR串联后，可控硅SCR下端和电动机绕组上端U1、V1、W1相连。接触器KM1上端从电动机绕组上端U1、V1、W1接入，下端和电动机绕组的V2、W2、U2端相连。在电动机绕组下端U2、V2、W2接入接触器KM2。图3是本实用新型控制二次回路图。当DSP给KM1的驱动电路发出低电平信号， 继电器KA1的线圈通电，常开触点KA1-0闭合，KM1线圈闭合，KM1的常闭触点KM1-C断开， 此时KM2线圈断电，保证了 KM1闭合的同时KM2处于关断状态。同理KM2闭合的同时KM1 关断。由于电动机在可控硅SCR导通且接触器KM1同时闭合时才处于角接运行状态，电动机在可控硅SCR导通且接触器KM2同时闭合时才处于星接运行状态，因此电动机在进行星角软切换时，不会因为反并联晶闸管的误触发而导致发生短路故障。此外在二次回路中还通过380/220的变压器，给开关电源供电，进而为DSP供电。图4是本实用新型的微机单元控制示意图。数据采集单元中的电压互感器和电流互感器检测电源侧电压和电流。采集来的信号经过调理电路调整到AD7656能接受的直流电压范围-10V-+10V，然后AD7656将采集的电压和电流模拟量转换成数字量，传输到DSP 中。DSP对输入进来的数字信号进行分析进算，得出电动机负载率0和星角切换临界负载率@。，根据P和0。的大小，给驱动单元和触发单元发出信号。触发单元的信号经过光电隔离和脉冲发生器发出的信号经过门电路后，送入脉冲变压器，通过控制可控硅的阳极和阴极实现SCR的触发。驱动单元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KM1和KM2的闭合及关断。[0032]本实用新型即可以在电动机起动时实现星角软起动，也能够在电动机运行期间实现绕组的星角软切换节能。本实用新型的电动机星角软起动的具体实施策略如下DSP上电，电动机开始起动。接触器KM2闭合，可控硅SCR按照星接软切换控制策略触发，此时电动机处于星接运行状态。在电动机转速达到整定值时，可控硅SCR停止触发，接触器KM2关断，接触器KMl闭合，然后SCR按照角接软切换控制策略触发，电动机完成星角软起动。本实用新型的电动机星角软切换的具体实施策略如下在电动机处于角接运行的状态下，DSP利用检测到的信号计算分析出电动机负载率β和星角切换临界负载率β。，若 β > β。，电动机保持角接运行。若β < β。，电动机将进行角接向星接的软切换。具体软切换过程如下可控硅SCR先停止触发，然后接触器KMl关断，电动机从角接运行状态下断开；之后接触器ΚΜ2闭合，可控硅SCR再按照星角软切换策略触发，此时电动机完成角接向星接软切换，电动机处于星接运行状态。此时若β < β。，电动机保持角接运行状态；若β > β。，电动机又要向角接进行软切换。具体软切换过程如下可控硅SCR先停止触发，然后接触器ΚΜ2关断，电动机从角接运行状态下断开；之后接触器KMl闭合，可控硅SCR再按照星角软切换策略触发，此时电动机完成星接向角接的软切换，电动机处于角接运行状态。重复以上步骤就实现了电动机的频繁星角软切换。本实用新型在电动机星角软起动时，很好地抑制了电动机星角起动时的电流冲击。在电动机起动结束后，根据电动机负载的情况，借助DSP实现了电动机绕组的星角软切换控制，也能够减小了切换时的冲击电流，改善了频繁进行星角切换电动机的节能效率。
权利要求1.一种电动机星角软切换的半固态控制器，其特征在于，包括开关元件、数据采集单元、微机控制单元、驱动单元、触发单元、二次回路其他元件；数据采集单元与微机控制单元直接相连，微机控制单元与驱动单元和触发单元分别相连，驱动单元与开关元件中的接触器相连，触发单元与开关元件中的晶闸管相连，二次回路其它元件包括变压器和开关电源；所述的开关元件包括一套三对反并联晶闸管和两个接触器，还包括一个空气断路器， 两个接触器分别构成电动机的星接和角接，再与一套反并联晶闸管串联；其中，三对反并联晶闸管SCR和接触器KMl串联，在三相电源和电动机绕组之间构成回路，形成电动机的角接；三对反并联晶闸管SCR和接触器KM2串联，在三相电源和电动机绕组之间构成回路，形成电动机的星接；在三相电源和电动机定子绕组之间接入空气断路器。
2.根据权利要求I所述的电动机星角软切换的半固态控制器，其特征在于，所述的数据采集单元由二个电压互感器和一个电流互感器构成；其中一个电压互感器的二个输入端分别和主电路中电源的A相和B相并联，另外一个电压互感器的二个输入端分别和主电路中电源的B相和C相并联，电压互感器的输出端经过电压调理电路连接到微机控制单元。
3.根据权利要求I所述的电动机星角软切换的半固态控制器，其特征在于，所述的微机控制单元包括了 DSP芯片和AD转化芯片；其中DSP TMS320F2812, AD转化芯片采用2片 AD7656。
4.根据权利要求I所述的电动机星角软切换的半固态控制器，其特征在于，所述的微机控制单元的输出和驱动单元及触发单元相连接。
专利摘要一种电动机星角软切换的半固态控制器，属于电动机星角切换技术领域。包括开关元件、数据采集单元、微机控制单元、驱动单元、触发单元、二次回路其他元件及接线。数据采集单元与微机控制单元直接相连，将输入信号提供给微机控制单元；微机控制单元与驱动单元和触发单元分别相连，将各自输出信号分别发出给它们；驱动单元与开关元件中的接触器相连，驱动其闭合或断开；触发单元与开关元件中的晶闸管相连，实施星角软切换控制；二次回路其它元件包含变压器和开关电源等器件，作为微机控制单元、触发单元和驱动单元一部分的直流电源。优点在于，能对需要频繁进行星角切换节能的电动机实现无冲击的星角软切换，解决了传统星角启动装置在进行星角切换时的电流冲击问题。
文档编号H02P1/32GK202353507SQ201120462749
公开日2012年7月25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, 庞继伟, 张伟华, 朱亮, 石朋飞 申请人:华北电力大学