一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置及方法与流程

1.本发明涉及电机工频起动技术领域，特别涉及一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置及方法。


背景技术：

2.电机要转动就必须提供足够的动能，以克服电机起动过程中所受到的阻力。在初始阶段，电机的转速几近于零，施加在电机端的电能如不能有效的转化出推动电机转动的机械能的有功分量，则电机等同于处在堵转状态，其等效电路同电阻模式，一旦通电时间过长，势必造成电机的绝缘损坏甚至烧毁的现象。
3.早期的电机软起动受限于技术和成本限制，多采用水阻和电抗方式。随着半导体技术的应用成熟和配套产业链的完善，以晶闸管为核心的高压固态软起的成本得到有效的控制，并以其能够有效的限制起动电流的幅值等特性而逐渐得到市场的认可。
4.不管是水阻和电抗，抑或是当前市场大量推广的高压固态软起，其起动原理的本质是在电机定子侧能源供给线路中串联一定的阻值，起到限制电机起动电流幅值和分担电机定子端电压的作用，所串联的等效电阻在起动的过程中会消耗掉电源侧所供给的实际输出能量，使得传输到电机端的实际电能只为电源输出的一部分，未能完全的将电源端的输出容量施加在电机端。
5.自耦变压器作为一种传统同时兼具特殊结构的变压器在电机起动方案中已有多年的应用。因其成本较具有共同点的电抗器不具有明显优势，其起动特性也未能引起足够的重视，一直未能占有较大的市场率，其所具有的起动优势也未能被充分应用。不同于水阻、电抗、固态的限制电流幅值并消耗电源侧供给能量的起动方式，自耦变压器在起动的过程中扮演着能量传递的角色，除去自耦变压器自身的电磁转换和传递效率损耗，其能够将电源侧供给的绝大部分能量都传输到电机端，从而使得电机端的实际获得电能要远高于其他软起动方式。自耦变压器电源侧电流与变压比的平方成正比，起动转矩与变压比成正比，在同一规格电机参数负载以及电源端输出能量固定的条件下，电机实际获得的初始能量较常规软起动方式更大，逆向推导电机端同等起动转矩的情况下采用自耦降压的方式起动电流更小，对电网的冲击影响更弱。


技术实现要素：

6.本发明的目的旨在装提供一种降低电机工频起动电流倍数的电控置，通过自耦变压器降压单元、无功补偿投切单元以及起动旁路转换单元三种单元的配合使用，可以实现极限降低电机工频起动方式下的起动电流倍数。
7.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置，包括自耦变压器降压单元、无功补偿投切单元、起动旁路转换单元以及综合控制系统，所述起动旁路转换单元的输入端连接至电源柜，输出端连接至电机，所述自耦变压器降压单元的一端与所述起动旁路转换单元连接，另一端与所述无功补偿投
切单元连接，所述自耦变压器降压单元、所述无功补偿投切单元以及所述起动旁路转换单元均与所述综合控制系统连接；
8.所述自耦变压器降压单元，用于传递电机起动过程中所需要的能量，并通过降压的方式限制起动过程中的电流冲击幅值；
9.所述无功补偿投切单元，用于提供电机起动阶段建立磁场和克服电机静态力矩所需要的大量无功容量；
10.所述起动旁路转换单元，用于在电机起动初始阶段控制所述自耦变压器降压单元投入工作以实现电机降压起动，还用于在电机转速达到预设转速值或者电机起动电流幅值下降到预设电流幅值时，控制所述自耦变压器降压单元停止工作，将电机由降压回路切换至额定电压下运转，实现电机的全速运转；
11.所述综合控制系统，用于控制所述自耦变压器降压单元和所述起动旁路转换单元执行动作，以及控制所述无功补偿投切单元投入或切除。
12.进一步地，所述起动旁路转换单元包括一次侧旁路开关和二次侧切换开关，所述自耦变压器降压单元与所述二次侧切换开关串联后并联在所述一次侧旁路开关的两端，所述自耦变压器降压单元的一次侧与所述起动旁路转换单元的输入端连接，所述自耦变压器降压单元的二次侧与所述二次侧切换开关的一端连接，所述二次侧切换开关的另一端连接至所述起动旁路转换单元的输出端，所述一次侧旁路开关和所述二次侧切换开关均与所述综合控制系统连接。
13.进一步地，所述自耦变压器降压单元包括自耦变压器、二次侧电流互感器、伺服驱动系统、星点短接开关以及一次侧投入开关，所述二次侧电流互感器连接在所述自耦变压器的二次侧，用于检测电机降压起动过程中所述自耦变压器二次侧的电流变化，所述伺服驱动系统与所述自耦变压器的铁芯连接，用于拖动所述铁芯运动以调节所述自耦变压器二次侧的抽头电压比，所述星点短接开关与所述自耦变压器的星点连接，所述一次侧投入开关连接在所述自耦变压器的一次侧，所述伺服驱动系统、所述星点短接开关以及所述一次侧投入开关均与所述综合控制系统连接。
14.进一步地，所述自耦变压器降压单元还包括星点侧保护避雷器和二次侧保护避雷器，所述星点侧保护避雷器的一端与所述自耦变压器的星点连接，所述星点侧保护避雷器的另一端接地，所述二次侧保护避雷器的一端与所述自耦变压器的二次侧连接，所述二次侧保护避雷器的另一端接地。
15.进一步地，所述无功补偿投切单元包括二次侧电压互感器、无功侧电流互感器以及若干个补偿支路，所述二次侧电压互感器连接在所述自耦变压器的二次侧，用于检测电机降压起动过程中所述自耦变压器二次侧的电压变化，所述无功侧电流互感器与若干个所述补偿支路串联在所述自耦变压器的二次侧，若干个所述补偿支路并联连接，所述无功侧电流互感器用于检测所述自耦变压器无功侧的电流变化。
16.进一步地，所述补偿支路包括投切开关、保护熔断器、保护避雷器、无功电容以及无功放电单元，所述投切开关的一端与所述无功侧电流互感器连接，另一端分别与所述保护熔断器、所述保护避雷器以及所述无功放电单元连接，所述保护避雷器远离所述无功侧电流互感器的一端接地，所述保护熔断器与所述无功电容串联后并联在所述无功放电单元的两端，所述无功放电单元用于在所述补偿支路切除后实现所述无功电容的放电以备下次
投入使用。
17.进一步地，所述无功补偿投切单元还包括无功检测控制器，所述无功检测控制器与所述综合控制系统连接，所述无功检测控制器分别与若干个所述投切开关连接，用于控制所述投切开关闭合或断开，所述无功检测控制器分别与所述二次侧电流互感器、所述二次侧电压互感器以及所述无功侧电流互感器连接，用于获取电机起动过程中的电量信号并计算出电机起动过程所需的无功需求量。
18.进一步地，还包括人机显示界面，所述人机显示界面与所述无功检测控制器连接，用于显示电机起动过程中的电流数据、电压数据以及无功需求量。
19.此外，为实现上述技术目的，本发明还提供一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控方法，所述方法包括以下步骤：
20.s1，电源开关合闸时，通过起动旁路转换单元控制自耦变压器降压单元投入工作，同时投入所有的无功补偿投切单元，由自耦变压器降压单元完成电机端起始电压的降低和起动初始能量的传递；
21.s2，通过伺服驱动系统拖动自耦变压器的铁芯控制二次侧电压的幅值，以调整电机起动电流倍数；
22.s3，当电机的转速稳态上升时，通过无功检测控制器获取电机的功率因数数值，结合采集到的电流和电压幅值变化判断电机起动过程的无功需求量；
23.s4，根据所述无功需求量，分析并计算最佳的时间节点，基于所述最佳的时间节点，切除无功补偿投切单元的补偿支路；
24.s5，当电机转速达到预设转速值或电机起动电流幅值达到预设电流幅值时，切除所有补偿支路；
25.s6，通过起动旁路转换单元控制自耦变压器降压单元停止工作，将电机由降压回路切换至额定电压下运转，实现电机的全速运转。
26.本发明的有益效果是：
27.1、本发明提供的用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置，通过自耦变压器降压单元、无功补偿投切单元以及起动旁路转换单元三种单元的配合使用，可以实现极限降低电机工频起动方式下的起动电流峰值，采用自耦变压器这种工频模式下最优能量传递器件作为起动单元来实现电源端能量的最大化利用，实现了电机工频起动方式下的电流幅值控制，最大化的降低了从电网侧获取能量的幅值大小，从而减小了关联电网的电压波动，提高了上级变压器供电的可靠性，降低了对上级配网容量大小的要求。
28.2、自耦变压器降压单元与其他软起动方式自身消耗能量的特性相比，除去极小部分的材料自身电磁损耗，其只起着降压传递能量的功能，可实现电源端电能最大化的有效传递至电机端，避免其他工频起动方式下的发热能耗和变频模式下的谐波污染。
29.3、通过无功补偿投切单元在电机起动阶段的无功投入，可以降低自耦变压器降压单元的无功输出，从而使电源端能量输出有功占比得到有效提升，降低无功电网侧消耗量的同时使自耦变压器的有效载荷控制在额定范围内，保持良好的输出线性度，匹配电机起动阶段的无功需求动态变化的特性。
30.4、本发明提供的用于降低电机工频起动电流倍数的电控方法，通过监测电机起动过程中的无功量功率与电流电压幅值变化的平衡算法，估算出最佳的容性无功切除时机，
给出准确的切除指令，规避倒送无功的情况发生，同时保障电网侧电流幅值切换的平稳性和可控性。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1是本发明一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置的模块框图；
33.图2是本发明一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置的自耦变压器降压单元结构示意图；
34.图3是本发明一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置的无功补偿投切单元结构示意图；
35.图4是本发明一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置的起动旁路转换单元结构示意图；
36.图5是本发明一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置的电气原理图；
37.图6是本发明一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控方法的流程示意图。
38.图中，1、自耦变压器降压单元，11、自耦变压器，12、二次侧电流互感器，13、伺服驱动系统，14、星点短接开关，15、一次侧投入开关，16、铁芯，17、星点侧保护避雷器，18、二次侧保护避雷器；2、无功补偿投切单元，21、二次侧电压互感器，22、无功侧电流互感器，23、补偿支路，231、投切开关，232、保护熔断器，233、保护避雷器，234、无功电容，235、无功放电单元，24、无功检测控制器；3、起动旁路转换单元，31、一次侧旁路开关，32、二次侧切换开关；4、综合控制系统。
具体实施方式
39.下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.参见图1，一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控装置，包括自耦变压器降压单元1、无功补偿投切单元2、起动旁路转换单元3以及综合控制系统4，起动旁路转换单元3的输入端连接至电源柜，输出端连接至电机，自耦变压器降压单元1的一端与起动旁路转换单元3连接，另一端与无功补偿投切单元2连接，自耦变压器降压单元1、无功补偿投切单元2以及起动旁路转换单元3均与综合控制系统4连接；自耦变压器降压单元1用于传递电机起动过程中所需要的能量，并通过降压的方式限制起动过程中的电流冲击幅值；无功补偿投切单元2用于提供电机起动阶段建立磁场和克服电机静态力矩所需要的大量无功容量；起动旁路转换单元3用于在电机起动初始阶段控制自耦变压器降压单元1投入工作以实现电机降压起动，还用于在电机转速达到预设转速值或者电机起动电流幅值下降到预设电流幅值时，控制自耦变压器降压单元1停止工作，将电机由降压回路切换至额定电压下运转，实
现电机的全速运转；综合控制系统4用于控制自耦变压器降压单元1和起动旁路转换单元3执行动作，以及控制无功补偿投切单元2投入或切除。
41.在具体实现中，电机在起动过程中需求的无功量很大，需要从电网侧获得足够的无功以建立电机转动所需力矩的磁场实现电机的转动。自耦变压器降压单元1能够最大化的获取电源端的能量，并通过无功补偿投切单元2抵消掉电机起动初始阶段的大量感性无功消耗，从而进一步降低从电源端获取的电流幅值，当电机转动的速度达到一定限值时，即电机转速达到预设转速值，或者电机起动电流幅值下降到预设电流幅值时，其需求的无功量急剧下降，以此为时机切除无功补偿投切单元2确保电机的正常运转。
42.需要说明的是，自耦变压器降压单元1与其他软起动方式自身消耗能量的特性相比，除去极小部分的材料自身电磁损耗，其只起着降压传递能量的功能，可实现电源端电能最大化的有效传递至电机端，避免其他工频起动方式下的发热能耗和变频模式下的谐波污染，也就是说，在整个起动过程中不存在半导体开关提供较大起动转矩造成谐波污染的情况，也没有其他软起动方式导致的能量损耗在起动器上的发热聚集。
43.应理解的是，通过无功补偿投切单元2在电机起动阶段的无功投入，可以降低自耦变压器降压单元1的无功输出，从而使电源端能量输出有功占比得到有效提升，降低无功电网侧消耗量的同时使自耦变压器11的有效载荷控制在额定范围内，保持良好的输出线性度，匹配电机起动阶段的无功需求动态变化的特性。
44.参见图4和图5，起动旁路转换单元3包括一次侧旁路开关31和二次侧切换开关32，自耦变压器降压单元1与二次侧切换开关32串联后并联在一次侧旁路开关31的两端，自耦变压器降压单元1的一次侧与起动旁路转换单元3的输入端连接，自耦变压器降压单元1的二次侧与二次侧切换开关32的一端连接，二次侧切换开关32的另一端连接至起动旁路转换单元3的输出端，一次侧旁路开关31和二次侧切换开关32均与综合控制系统4连接。
45.在具体实现中，电机起动初始阶段，通过综合控制系统4控制一次侧旁路开关31断开、二次侧切换开关32闭合，使自耦变压器降压单元1投入工作，实现电机的降压起动；当电机起动完成后，通过综合控制系统4控制一次侧旁路开关31闭合、二次侧切换开关32断开，使自耦变压器降压单元1停止工作，将电机由降压回路切换至额定电压下运转，实现电机的全速运转。
46.参见图2和图5，自耦变压器降压单元1包括自耦变压器11、二次侧电流互感器12、伺服驱动系统13、星点短接开关14以及一次侧投入开关15，二次侧电流互感器12连接在自耦变压器11的二次侧，用于检测电机降压起动过程中自耦变压器11二次侧的电流变化，伺服驱动系统13与自耦变压器11的铁芯16连接，用于拖动铁芯16运动以调节自耦变压器11二次侧的抽头电压比，星点短接开关14与自耦变压器11的星点连接，一次侧投入开关15连接在自耦变压器11的一次侧，伺服驱动系统13、星点短接开关14以及一次侧投入开关15均与综合控制系统4连接。优选地，自耦变压器降压单元1还包括星点侧保护避雷器17和二次侧保护避雷器18，星点侧保护避雷器17的一端与自耦变压器11的星点连接，星点侧保护避雷器17的另一端接地，二次侧保护避雷器18的一端与自耦变压器11的二次侧连接，二次侧保护避雷器18的另一端接地。
47.需要说明的是，核心部件自耦变压器11用于传递电机起动过程中所需要的能量，并通过降压的方式限制电机起动过程中的电流冲击幅值；外围的电流电压互感器用于检测
降压起动过程中的电量变化状况，为系统运行分析提供基础的数据判断依据；电机的实际起动效果与期望值的偏差可经由伺服驱动系统13控制自耦变压器11的铁芯16运动进行抽头变比的调整，实现自适应调节。
48.应理解的是，自耦变压器11的一次侧和二次侧公用一个铁芯16，用于能量传递以及磁场的建立，铁芯16在绕组中的长度变化可实现二次电压变比的变化，铁芯16可在伺服驱动系统13的拖动以及精准伺服定位控制下实现自耦变压器11单元二次侧电压的变化，进而实现控制电机的起动电流跟随变化，最终达到对起动过程中的电网压降优化调节的目的。
49.在具体实现中，通过伺服驱动系统13拖动自耦变压器11的铁芯16运动，调整自耦变压器11的一二次绕组匝数形成的抽头比，从而利用抽头比的不同，实现二次侧工频电压幅值的降低，使电机端以较低的初始电压形成转动所需的力矩，从而实现起动电流的降低。本实施例利用伺服驱动系统13拖动铁芯16运动的方式实现自耦变压器11的二次侧电压幅值调整，从而实现电机起动端电压的无级可调，进一步满足电机起动电流倍数和电机起动时间平衡控制的要求。
50.相较于传统的形式，本实施例自耦变压器11由原来的浇筑式固定抽头变比调整为可移动式的铁芯16，通过伺服驱动电机的精准定位和快速响应功能，实现变比抽头电压比的变化，伺服驱动系统13中的抱闸系统可将电压变比稳定在预定的电压值上，借由电压的变化实现电流的调节，进而实现从电网获取电流大小的调节。
51.参见图3和图5，无功补偿投切单元2包括二次侧电压互感器21、无功侧电流互感器22以及若干个补偿支路23，二次侧电压互感器21连接在自耦变压器11的二次侧，用于检测电机降压起动过程中自耦变压器11二次侧的电压变化，无功侧电流互感器22与若干个补偿支路23串联在自耦变压器11的二次侧，若干个补偿支路23并联连接，无功侧电流互感器22用于检测自耦变压器11无功侧的电流变化。
52.需要说明的是，通过无功补偿投切单元2提供大容量的无功补偿容量，可以抵消掉电机未形成机械动能前建立磁场所需的损耗。本实施例采用在自耦变压器11低压侧补偿的方式，可以进一步提高自耦变压器11容量线性度的稳定可靠性，同时过载率得到有效提升，线路损耗得到改善，延长了设备的使用寿命。
53.进一步地，补偿支路23包括投切开关231、保护熔断器232、保护避雷器233、无功电容234以及无功放电单元235，投切开关231的一端与无功侧电流互感器22连接，另一端分别与保护熔断器232、保护避雷器233以及无功放电单元235连接，保护避雷器233远离无功侧电流互感器22的一端接地，保护熔断器232与无功电容234串联后并联在无功放电单元235的两端，无功放电单元235用于在补偿支路23切除后实现无功电容234的放电以备下次投入使用。
54.在具体实现中，通过设置多个补偿支路23，每个补偿支路23都设置有投切开关231，通过投切开关231的分组切除可以实现对电机转速变化时无功需求量的急剧下降进行动态响应，随着电机转速的变化，使实际投入的无功补偿容量始终与所需的无功需求量相匹配。
55.进一步地，无功补偿投切单元2还包括无功检测控制器24，无功检测控制器24与综合控制系统4连接，无功检测控制器24分别与若干个投切开关231连接，用于控制投切开关
231闭合或断开，无功检测控制器24分别与二次侧电流互感器12、二次侧电压互感器21以及无功侧电流互感器22连接，用于获取电机起动过程中的电量信号并计算出电机起动过程所需的无功需求量。
56.需要说明的是，无功检测控制器24能够采样起动过程中无功的变化特性，为切除的时间点提供数据参考，无功补偿投切单元2可通过无功检测控制器24捕捉到起动过程中的无功需求量，并控制投切无功分组的投切开关231动作，实现电机起动状态下大量无功需求的补偿。
57.在具体实现中，电机起动的无功需求量随着电机转速的提升逐步减少，通过无功检测控制器24反馈的数据以及对二次侧电流电压变化幅度的监测，可以捕捉到电机起动过程中的转矩和转速的变化特性，综合采集到的电流电压信号计算出功率因数，设备的综合控制系统4根据功率因数判别无功需求量的变化趋势，得出无功需求量的变化点，从而推算出合理的切除无功补偿投切单元2的时机，给出准确的切除指令，规避倒送无功的情况发生。
58.进一步地，还包括人机显示界面，人机显示界面与无功检测控制器24连接，用于显示电机起动过程中的电流数据、电压数据以及无功需求量。
59.在具体实现中，通过二次侧电流互感器12、二次侧电压互感器21以及无功侧电流互感器22采集电机起动过程中的电量信号，并传输至无功检测控制器24，无功检测控制器24根据获取的电量信号计算出无功需求量，并将数据反馈到人机显示界面，可以进行实时显示监测，为无功补偿投切单元2以及补偿支路23的切除时间点提供数据计算基础。
60.参见图6，图6为本发明一种用于降低电机工频起动电流倍数的电控方法的流程示意图。
61.如图6所示，本实施例提出的电控方法包括以下步骤：
62.s1，电源开关合闸时，通过起动旁路转换单元3控制自耦变压器降压单元1投入工作，同时投入所有的无功补偿投切单元2，由自耦变压器降压单元1完成电机端起始电压的降低和起动初始能量的传递；
63.s2，通过伺服驱动系统13拖动自耦变压器11的铁芯16控制二次侧电压的幅值，以调整电机起动电流倍数；
64.s3，当电机的转速稳态上升时，通过无功检测控制器24获取电机的功率因数数值，结合采集到的电流和电压幅值变化判断电机起动过程的无功需求量；
65.s4，根据无功需求量，分析并计算最佳的时间节点，基于最佳的时间节点，切除无功补偿投切单元2的补偿支路23；
66.s5，当电机转速达到预设转速值或电机起动电流幅值达到预设电流幅值时，切除所有补偿支路23；
67.s6，通过起动旁路转换单元3控制自耦变压器降压单元1停止工作，将电机由降压回路切换至额定电压下运转，实现电机的全速运转。
68.在具体实现中，自耦变压器11单元完成电机端起始电压的降低和起动初始能量的传递，可通过伺服驱动系统13的精准定位功能来拖动自动变压器的铁芯16运动，进一步控制二次侧电压的幅值以调整起动电流倍数；无功补偿投切单元2提供电机起动阶段磁场建立和克服电机静态力矩需求的大量无功容量，使从电源端获取的视在功率进一步降低，具
体表现的形式为起动电流幅值的进一步下降，起动电流曲线的线性度较之补偿前整体线性度更好，起动旁路转换单元3完成电机转速提升和电流幅值下降后的全压切换，使电机工作在工频额定电压的工况下。
69.在起动初期即备妥自耦变压器11的二次回路，电源开关合闸时即投入所有的无功补偿投切单元2的补偿支路23，用于抵消电机打破静态惯量转动起来所需力矩磁场建立的需求，当电机的转速稳态上升时，通过无功检测控制器24监测电机的功率因数数值，结合采集到的电流和电压幅值变化判断电机起动过程的无功需求量，并作出最佳的时间节点分析计算，以此为依据切除无功补偿单元的分支回路；当电机电流趋近稳态时，由设备的综合控制系统4发出指令切除所有补偿支路23；通过起动旁路单元将电机由降压回路切换至额定电压下运转，实现电机的全速运转，进而完成工频起动模式下最大化的能量传递，降低起动电流的幅值。