一种具有旁路功能的交流变频软起动器及其控制方法与流程

本发明属于电机的变频调速和软起动领域，特别涉及一种具有旁路功能的交流变频软起动器及其控制方法。

背景技术：

目前，异步电动机由于其结构简单、运行可靠、价格低廉成为非常重要的机电能量转换设备，占工业动力源的90％以上，但交流异步电机直接起动时电流达到额定电流5-8倍，而且难以获得足够的转矩，对电机自身和电网有不利的影响，软起动设备的研发成为解决问题的关键。

现在常用的电机软起动设备是普通的调压和限流软起动，其电路结构如图1所示，其主要是在电网与电机之间的每相串入反并联的晶闸管组，通过触发晶闸管斩波实现控制，目前的调压、限流和离散变频软起动都以其为主回路。通过改变每相电压的导通时间来实现降压起动。这种软起动只改变电压的有效值而没有改变电压的频率，其缺点为：其一，不变频时，三相交流异步电动机起动转矩正比于起动电压的平方，当电压降低时，转矩以电压降低倍数的平方降低；其二，不能改变定子磁场的转速，起动时转差过大；电机刚起动时，转子转速较低，三相晶闸管降压起动的定子磁场是以同步转速在转动，相对于转速很低的转子，转差很大，造成电机起动时反转、抖动厉害。

为了弥补这些不足，学者们探索出了与图1相同的基于三相反并联晶闸主回路的交交变频软起动方法。离散变频就是较早提出的一种，其原理是对三相工频交流电源有选择的导通和截止，从而形成频率为50/n Hz的电压(n＝1,2,3...)波形，但是运用中出现很大的谐波，致使电机转矩脉动过大，甚至无法起动，带载能力有限而且污染电网。近几年提出的6边形空间电压矢量软起动在离散变频的原理基础上融合了空间电压矢量的原理，一定程度上解决了离散变频软起动的谐波问题，但由于其仍然使用半控的半导体器件而且依然基于离散变频的原理，所以变频级数有限且部分分频磁场不对称或断续等问题限制了其发展前景。

综合考虑上述各种软起动器的原理与缺陷，应用于异步电机变频调速领域的变频软起动器输出电压幅度、频率连续可调，控制算法多样化且都已发展成熟，若将其应用于电机软起动中可以完美的解决上述软起动器存在的问题，但从其结构和原理上考虑，存在着：不需要调速的工控场合中，电机起动完成后，变频器难以旁路退出的问题，资源浪费，经济性大打则扣，在软起动应用上遭到大多企业弃用。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有旁路功能的交流变频软起动器，本发明可以一机多用，大幅度降低成本，在不影响原有逆变变频控制算法运行效果的情况下，使其实现旁路，而且其优越的性能也完好地解决了异步电机起动问题，跨越了软起动器与变频逆变器界线，形成了具有旁路功能的交流变频软起动器结构。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有旁路功能的交流变频软起动器，包括三相整流桥、电容C、三相逆变桥和控制器；所述三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，所述的电容C并联在直流母线上，电容支路上设置有与电容C串联的带有续流二极管VDC的功率开关管VTC控制电容充放电回路通断；三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端分别与电网和电机连接形成主回路；三相整流桥的进线端上、三相逆变桥的出线端上、电网与电机的连接线上都串联有旁路接触器；所述的控制器采集电网输出端、直流母线上、三相逆变桥输出端的电压和电流，且控制器通过驱动电路控制所有的旁路接触器。

电网的A、B、C三相分别通过旁路接触器SA、SB、SC与三相整流桥的三个进线端连接，电网的A、B、C三相分别通过旁路接触器Sa、Sb、Sc与电机的U、V、W三相连接，三相逆变桥的三个出线端分别通过旁路接触器SU、SV、SW与电机的U、V、W三相连接。

电网电压间接给电机供电、需要变频软起动器控制时，旁路接触器Sa、Sb、Sc断开，旁路接触器SA、SB、SC、SU、SV及SW闭合。

电网电压直接给电机供电、需要将变频软起动器旁路时，旁路接触器Sa、Sb、Sc闭合，旁路接触器SA、SB、SC、SU、SV及SW断开。

一种具有旁路功能的交流变频软起动器的控制方法，包括以下步骤：

三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端的旁路接触器闭合，电网和电机之间的旁路接触器断开，三相整流桥将电网的交流电压变换为直流电压，三相逆变桥再将直流母线的直流电压变换为幅值、频率、相位可调的交流电压给电机供电，控制器对电机进行连续变频的软起动控制；控制器控制电容支路充放电，保留脉动电压并提供能量回馈回路；软起动完成后，通过相位调节使逆变器输出电压与电网电压同频同相，调制方式由高频互补导通的多脉宽调制方式转变为120度导通的单脉宽调制，转换过渡过程以过调制的方式完成；此后，通过电流电压检测找到变频软起动器旁路时机，三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端的旁路接触器断开，电网和电机之间的旁路接触器闭合，在电机正常运行的同时退出变频软起动器。

电容充放电回路控制方法具体步骤为：

控制器根据直流母线的电压值来判断电容充放电回路应处的通断状态：控制器采集的直流母线电压值大于控制器阈值时，主回路通过电容C形成续流回路，功率开关管VTCVTC导通形成负载续流回路，此时三相逆变桥的入口侧电压高于三相整流桥入口侧电压，电网能量不流入电容C；

控制器采集的直流母线电压值低于控制器阈值时，判断此时不需要电容形成续流回路，关断功率开关管VTCVTC，电网能量流入三相逆变桥中；断开电容C的充电回路，电网能量流入到逆变桥中，不流入到电容中，在续流时储存在电容C中能量则可以通过续流二极管VDC释放到逆变桥中；整个过程电网和电容C无能量流动，直流母线电压无滤波，直流母线保留了直接来自电网线的脉动电压。

调制方式的转变具体步骤为：当变频软起动器输出为50Hz、电机变频起动完成后，增大调制比，将给定调制波的幅值逐步提升，使其过调制至：当电网中某相电压值的绝对值在三相中最大时的120度时间段内，持续触发该相对应的上下桥臂；再通过相位调节将其他时刻的多脉宽转换为低电平，完成调制方式的转变。

变频软起动器旁路时机为：当软起动完成后不需要变频调速时，通过相位调制使三相逆变桥输出与电网电压同频同相，然后改变调制方式，让三相逆变桥工作于与三相整流桥同步的两相导通工作模式；通过控制器对电压电流进行检测，找到一段时间内电网的A、B相分别与电机的U、V直接相接，电网C相未导通电流为零，且这段时间内能够找到一个时刻电机W相电流衰减到零。

变频软起动器旁路的具体控制方法为：三相整流桥的二极管VD1和二极管VD6导通，电网A、B相间的压差最大，在母线上形成电压Uab，三相逆变桥中IGBT管VT1、IGBT管VT6开通，电网的A相与电机的U相相连，B相与电机的V相相连，两边电压一致；将旁路接触器Sa、Sb闭合，旁路接触器SA、SB与SU断开，让电网的A、B相分别与电机的U、V相直接相连，旁路掉变频软起动器中的两相，同时触发IGBT管VT2使电机W相电流以W相、IGBT管VT2、二极管VD6、V相回路通过内部能耗沿着原电流曲线变化趋势衰减过零，电网中只有A、B两相导通，C相的相电流也为零，此时断开旁路接触器SV，再闭合旁路接触器Sc，然后断开旁路接触器SC、SW，电机的W相和电网的C相直接相接，将变频软起动器旁路。

相对于现有技术，本发明具有如下技术效果：

本次发明针对传统变频逆变器结构进行改进，在直流母线上的电容支路上串入带有续流二极管的功率开关管，对电容C充放电回路的通断进行控制。其在交-直-交变频软起动器两端串入旁路接触器，形成新的交流-直流-交流拓扑结构，同时对并接在逆变器直流母线侧的电容充放电回路进行控制，这种新结构因在直流母线上保留了来至电网的6波头脉动电压，使变频软起动器输出端与电网具有直接连接关系而可以实现旁路，因此可以很好的应用到电机的变频调速和软起动领域。整体结构上保持整流和逆变两部分，已有的逆变变频原理和控制方式在这种结构上仍然适用，且输出效果可以达到传统变频软起动器性能，而且改进后的结构可以实现旁路。将其应用于电机软起动可以很好的实现变频软起动。在不要变频调速的工业场所，起动完成后将其退出，还可以应用于其他电机的软起动或者调速生产中。如此实现一机多用，大幅度降低成本，而且其优越的性能也完好地解决了异步电机起动问题，跨越了软起动器与变频逆变器界线，形成了具有旁路功能的交流变频软起动器结构。

本次发明的控制方法先通过三相整流桥将电网的交流电压变换为直流电压，再将直流母线的电压通过三相逆变桥变换为幅值、频率、相位可调的交流电压，同样以交-直-交变频的方式给异步电动机供电，并进行变频调速及软起动控制，同时实现在不影响原有逆变变频控制算法运行结果的情况下，使其实现旁路。

通过带有续流二极管的功率开关管，对电容充放电回路的通断进行控制。这样做的优势是相对于传统的变频结构，这种新型结构同样可以削平电感续流时刻母线上的尖峰电压，在使逆变输出电压的相位、频率同电网电压保持一致时，保证任何一个PWM调制周期内，电网经过整流桥的二极管和逆变桥的IGBT后与异步电机定子端有直接的链接关系，给旁路带来了很大的便利。

在三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串入旁路接触器。这样做的优势是相对于传统的变频结构，这种新型结构在电网电压间接供电时(需要变频软起动或是需要变频调速的工业场所)，闭合相应的旁路接触器，可以正常进行变频调速或者软起动控制。当软起动完成后不需要变频调速时，调节相位使三相逆变桥输出与电网电压同频同相并改变调制方式，由于三相整流桥的工作特性，电网电压是两相导通的，这种调制方式就是让三相逆变桥工作于与三相整流桥同步的两相导通工作模式。这样可以通过控制器对电压电流进行检测，找到一段时间，这段时间内电网的A、B相分别与电机的U、V直接相接，电网C相未导通电流为零，且这段时间内能够找到一个时刻电机W相电流衰减到零，那么在这段时间按照一定顺序闭合与断开旁路接触器，将变频软起动器旁路，过渡到电网直接供电。

【附图说明】

图1为传统三相晶闸管反并联软起动器结构图。

图2为本发明使用的改进后的交-直-交变频软起动器结构图。

图3a为电网三相相电压波形图，图3b为电网三相线电压波形图，图3c为母线电压波形对比图，图中Uab、Uac、Uba、Uca、Ucb脉动电压为母线无滤波电容时的电压波形，Ludc为母线滤波电容无穷大是时的电压波形。

图4用来分析旁路时机的母线无滤波电容时的电压波形图。

图5脉宽调制方式转变过渡过程示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图2所示，本发明一种具有旁路功能的交流变频软起动器，包括三相整流桥、电容支路、三相逆变桥和控制器；所述三相整流桥的出线端与三相逆变桥的进线端通过直流母线连接，所述的电容支路并联在直流母线上；三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端分别与电网和电机连接形成拓扑结构；三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串联有旁路接触器；所述的控制器采集电网输出端、直流母线上、三相逆变桥输出端的电压和电流，且控制器通过驱动电路控制旁路接触器连接。

整体结构上保持整流和逆变两部分，先通过三相整流桥将电网的交流电压变换为直流电压，再将直流母线的电压通过三相逆变桥变换为幅值、频率、相位可调的交流电压，同样以交-直-交变频的方式给异步电动机供电，并进行变频调速及软起动控制。

优选的，结构上对传统交-直-交变频结构改进，对并在直流母线上的电容C支路上串入带有续流二极管VDC的功率开关管VTC，利用功率管VTC对并接在逆变器直流母线侧的电容充放电回路的通断进行控制。这样的结构消除了某个电感续流时刻母线电压产生的尖峰，同时不对母线电压滤波，保留了来至电网的6波头脉动电压使变频软起动器输出端与电网具有直接连接关系而可以实现旁路。

优选的，在三相整流桥的进线端、三相逆变桥的出线端以及电网和电机之间都串入旁路接触器SA、SB、SC、SU、SV、SW、Sa、Sb、Sc。使本发明具有电机变频调速控制功能，也具有控制电机连续变频软起动后的自旁路功能。

本发明的控制方案具体如下：

通过传统变频调速理论对电机进行连续变频的软起动控制，在电机零转速时控制变频软起动器输出到其定子的电压频率为3Hz，此后以0.01Hz步进提升同步转速，直至工频，从低频启动提升转矩，降低起动电流。

起动完成后，以相位调节和过调制的方法，使输出方式与电网同频同相后，变频软起动器调制方式由高频互补导通的多脉宽调制转变为120度导通的单脉宽，调制转换过渡过程以过调制的方式完成。逆变桥的导通方式与电网侧同步，开关频率降低，为控制器寻找旁路时机做准备。

根据“两相电压一致，一相电流同时为零”原则，通过电流电压检测的方法找到变频软起动器旁路时机，通过合理的控制SA、SB、SC、SU、SV、SW、Sa、Sb、Sc的开闸合闸顺序，在电机正常运行的同时实现变频软起动器旁路退出，电机由电网直接供电，旁路过程转速扰动不大。

下面将从直流母线电容C的PWM调制原理、变频软起动的运行原理、变频软起动器的旁路时机选择来介绍这种以新结构为基础的具有旁路功能的交流变频软起动器的工作过程。

1、母线电容C的充放电回路控制原理

在传统交-直-交变频结构中，这个电容C的作用是滤波稳压和提供续流回路，吸收掉电感续流时刻在直流母线上产生的尖峰电压。如图3a、3b和3c所示，不可控的三相整流桥每次只将电网的相电压压差最大的两相导通，且其自然换相点为各相线电压的交点，所以交流电网电压经过整流桥后输出的是6个波头的脉动电压，如图3b中的电压曲线。经过并接在直流母线上的电容C滤波之后，其对脉动电压进行滤波，使母线电压波动变缓，当容值非常大时，母线电压近似为一条直线，如图3c中的直线Ludc所示。为了实现旁路的目的，在直流母线保留源至于电网的6波头脉动电压，需要断开电容的充放电回路。但是在正常的变频过程中负载往往呈现感性，会有电感续流的状态，在逆变桥的调制过程中续流方式分为两种。

如图2可见，一种续流方式是电机两相直接相接的续流，例如电机U相->IGBT管VT4->IGBT管VT6->电机V相，续流能量由电机自身消耗。另一种续流方式是通过两个二极管将能量送到直流母线，在母线上形成高压尖峰，由于整流桥的结构是无法将续流的能量回馈到电网的，此时通过电容形成续流回路，来储存电感中的能量，吸收尖峰高压。由此可见，在这种续流状态时电容是必不可少的。

为了解决这一矛盾，在电容支路上串入功率开关管VTC，根据直流母线的电压值来判断电容充放电回路应处的通断状态。当电感处于第二种续流方式时，例如通过二极管VL4和二极管VL3续流时，直流母线的末端即三相逆变桥的进线端电压值会升高，在控制器中设定一个阈值，采集母线的电压，当其大于这个阈值就判断为此时主回路处于第二种续流状态，功率开关管VTCVTC导通形成:负载->二极管VL3->功率开关管VTC->电容C->二极管VL4->负载续流回路，这也是电容的充电回路，此时逆变桥的入口侧电压是高于整流桥入口侧电压的，因此电网中没有能量流入电容，其他的续流状态同理。当采集到的电压值低于阈值时，判断此时不需要电容提供续流回路，关断功率管，断开电容的充电回路，电网能量只能流入到逆变桥中，不会流入到电容中。而在续流时储存在电容C中能量则可以通过续流二极管VDC释放到逆变桥中。整个过程电网和电容并不存在能量流动，所以电容并未发挥其滤波稳压作用，使母线保留了直接来至电网线的脉动电压，为旁路提供便利，同时保留了完整的续流回路，保证了逆变变频工作过程的正常进行。

2、变频软起动的运行原理与起动完成后的调制方式转换

变频软起动就是控制变频软起动器的输出频率，使电机定子磁场频率与转子转速同步提升，提升转矩，减小转差率，降低起动电流，最后过渡至工频，电机完成起动。比如，在电机零转速时控制变频软起动器输出到电机定子的电压频率为3Hz，此后以0.01Hz步进提升同步转速，每次转子转速稳定后切换频率。虽然直流母线上没有了电源的滤波作用而存在电压脉动，但是在一般的控制算法中PWM占空比α＝Uset/Udc，其中Uset为每个采样周期期望的输出电压，在母线电压波动时，只要根据每次采集母线电压实时改变Udc，调节占空比就可以得到期望输出，因此这种新拓扑不会影响逆变桥的输出，已经成熟的变频算法在这种新型的结构上依然适用。变频起动的过程可以根据需要采用恒压频比、矢量控制或转矩控制，非常的灵活，而且其频率幅值可以连续变化，使电机起动过程无缝衔接，平滑的提升转速，整个过程转差率都不大，很好的解决电机起动的问题。

在电机起动完成后，通过相位调节使逆变桥输出与电网同相位，然后将高频互补导通的多脉宽调制方式转变为120度导通的单脉宽调制。调制方式的转变过程如图5所示，当变频软起动器输出为50Hz即电机变频起动完成后，增大调制比，将给定调制波的幅值逐步提升，使其过调制至：当电网中某相电压值的绝对值在三相中最大时的120度时间段内，持续触发该相对应的上下桥臂(以A相为例，A相正向电压值最大即整流桥输入端为电网流向为AB或AC的120度时间段使三相逆变桥的IGBT管VT1触发，A相反向电压值最大即整流桥入端为电网流向为BA或CA的120度时间段使三相逆变桥的IGBT管VT4触发)。再将其他时刻的多脉宽转换为低电平，完成调制方式的转变。由于母线电压没有电容的滤波稳压作用后，其波形为图3c所示的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb六波头脉动电压，所以此时的调制方式转变为当电网A、B相导通(Uab)时，触发IGBT管VT1、IGBT管VT6，在电机端形成电压矢量u_AB；电网A、C相导通(Uac)时，触发IGBT管VT1、IGBT管VT2，在电机端形成电压矢量u_AC；电网B、C相导通(Ubc)时，触发IGBT管VT3、IGBT管VT2，在电机端形成电压矢量u_BC；电网B、A相导通(Uba)时，触发IGBT管VT3、IGBT管VT4，在电机端形成电压矢量u_BA；电网C、A相导通(Uca)时，触发IGBT管VT5、IGBT管VT4，在电机端形成电压矢量u_CA；电网C、B相导通(Ucb)时，触发IGBT管VT5、IGBT管VT6，在电机端形成电压矢量u_CB。形成了50Hz的正六边形磁场，电机正常运行且定子端电压与电网一致。

3、旁路时机选择

本次发明的新型交-直-交变频结构通过直流母线电容充放电回路控制的方法在保证主回路正常续流的同时，在直流母线上保留了直接来至电网与三相线电压一致的脉动电压。虽然这样可以使电网电压通过整流桥的二极管和逆变桥的IGBT直接作用到负载上，但还是需要寻找一个最佳的时机和自然过渡到电网的切换策略才能使电机原本的电流与电网的电流无缝衔接，做到扰动较小的变频软起动器旁路。

本次发明的变频软起动器在电机变频起动完成，通过相位调节和调制转换的方法使逆变桥输出与电网电压同频、同相后，选择的旁路策略的原则是“两相电压一致，一相电流同时为零”，即电机定子中的两相通过整流桥中的两个二极管和逆变桥其中两个IGBT直接与电网中某两相相连，且定子的另一相和电网的另一相电流同时过零的时刻。以图4所示的情况为例来寻找这一旁路时机。如上节所述，调制方式转变后，存在一段时长为3.33ms(六分之一个工频周期)的时间，这段时间内，图2中整流桥的二极管VD1和二极管VD6导通，即此时电网AB相间的压差最大，在母线上形成电压Uab，逆变桥中的IGBT开关状态正好处于IGBT管VT1、IGBT管VT6开通，那么此时电网的A相与电机的U相相连，B相与电机的V相相连，两边电压一致，在这段时间最左侧的自然换相点将旁路接触器Sa、Sb闭合，SA、SB与Su断开，让电网的A、B相分别与电机的U、V相直接相连，旁路掉变频软起动器中的两相。同时触发IGBT管VT6使电机W相电流以W相->V相->IGBT管VT6->二极管VD2->W相回路通过内部能耗沿着原电流曲线变化趋势衰减过零，在过零点的这一时刻t，由于整流桥的工作特性电网中只有A、B两相导通，C相的相电流也为零，此时断开旁路接触器SV，再闭合旁路接触器Sc，然后断开SC、SW，电机的W相和电网的C相直接相接，电流是无扰动的与电网衔接的。电机的磁场突变很小，转速波动不大，成功将变频软起动器旁路。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。