CN102904492A

CN102904492A - 基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置

Info

Publication number: CN102904492A
Application number: CN2011102126763A
Authority: CN
Inventors: 赵世运; 熊平
Original assignee: WANZHOU ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: WANZHOU ELECTRICAL CO Ltd
Priority date: 2011-07-28
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-01-30

Abstract

本发明名称为基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置。属于电动机起动技术领域。主要是解决现有软起动装置存在减小起动电压必然严重降低起动转矩，带重载起动困难的问题。它的主要特征是：由依次连接的五组反并联的可控硅组构成的主回路及主回路控制电路；主回路控制电路包括DSP控制器、电流信号过零检测电路、电压采样电路、电流采样电路、同步信号采集电路和驱动电路；电压采样电路、同步信号采集电路连接在主回路与DSP之间，电流采样电路、电流信号过零检测电路连接在主回路与DSP之间，驱动电路连接在主回路各可控硅控制端与DSP之间。具有小起动电流，高起动转矩，分频段切换平滑的特点，主要用于三相异步电动机带重载起动场合。

Description

基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置

技术领域

本发明属于电动机起动技术领域。具体涉及一种用于软起动的分级变频无级调压装置。

背景技术

电动机作为机电能量转换的电磁机械装置，被大量应用于工矿企业、交通运输、国防工业等各个领域。其中，在各种拖动负载的电动机中，感应电动机以其高稳定的性能，获得了更为广泛的应用。三相感应电动机软起动控制器是专为电动机的起动设计的控制设备，其主电路采用廉价的（与其它功率器件相比）晶闸管（SCR）作为功率器件，整套设备造价低，使用简单方便。它是根据晶闸管调压原理，通过调节晶闸管的触发角，从而控制其导通时间，使输出电压由小至大逐渐变化，从而减小了起动电流的冲击。但是由于起动转矩又与电动机定子端侧所加电压的平方成正比，故上述的电子式降压软起器起动，存在一个严重的缺陷：减小起动电压必然严重降低起动转矩，使得电机带重载起动困难。因此，电子式软起动器都只能限定在轻载应用的场合。然而，在实际电动机的应用领域中，很大一部份是要求能带重载甚至是超额定负载的起动，如球磨机，粉碎机，矿井起重机，拉丝机，煤矿中的皮带传输机等。这些电机起动要求是：小起动电流，高起动转矩，负载适应能力强，可根据负载情况灵活的选择起动方式。上述的降压起动方式无法满足这些要求。变频器虽可以满足上述要求，但变频器更多的是应用在调速场合，成本比较高且控制复杂，对于不需要调速且频繁起动的场合，显然性价比太低，用户难以接受。

发明内容

本发明的目的是为了提供基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置，以解决现有软起动器起动重负载时起动电流大的问题，使其具有小起动电流，高起动转矩，同时引入无速度传感器，保证各分频段切换平滑，而且装置价格便宜。

本发明的技术解决方案是：一种基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置，包括连接在电源与电动机之间的由反并联的可控硅组构成的主回路及主回路控制电路，其特征在于：主回路由依次连接的五组反并联的可控硅构成；主回路控制电路包括DSP控制器、电流信号过零检测电路、电压采样电路、电流采样电路、同步信号采集电路和驱动电路；其中，电压采样电路、同步信号采集电路分别连接在主回路电源输入端与DSP控制器之间，电流采样电路、电流信号过零检测电路分别连接在主回路电源输出端与DSP控制器之间，驱动电路连接在主回路各可控硅控制端与DSP控制器之间。

本发明的技术解决方案中所述的主回路包括五组反并联的可控硅，其中，三组反并联的可控硅分别串接在三相电源线与电机之间，另二组反并联的可控硅的一端分别与三相电源线中的两相电源线连接，另一端分别交叉与该两相电源线对应的电机端连接。

本发明的技术解决方案中所述的电流信号过零检测电路由二极管桥式电路和隔离光耦构成。

本发明的技术解决方案中所述的电压采样电路和电流采样电路由四级运放芯片及***元器件组成的放大电路，跟随电路，二极管，电容，电阻构成。

本发明的技术解决方案中所述的同步信号采集电路由移相回路、由比较器及***元器件组成的比较电路和隔离光耦构成。

本发明用于软起动的分级变频无级调压方法包括以下三个阶段：

第一阶段，DSP控制器发出f/4触发驱动信号，在工频电源8个半波中，按照仿真计算出的最优方式去掉其中的4个波头，并对剩余的4个半波进行斩波调压，通过电流信号和续流角信号采样，协调控制电机转速接近对应该频段的额定转速时切换到下一频段；

第二阶段，DSP控制器发出f/2触发驱动信号，在工频电源4个半波中，按照仿真计算出的最优方式去掉其中的2个波头，并对剩余的2个半波进行斩波调压，通过电流信号和续流角信号采样，协调控制电机转速接近对应该频段的额定转速时切换到下一频段；

第三阶段，当电机的转速接近1/2全速时，DSP控制器发出工频触发信号，即对交流电每个工频半波进行斩波调压控制，实现电机由f/4到f的转变。

本发明所述的一种分级变频无级调压软起动装置中的分级变频方式是按照f/N的方式进行频段的划分，其中f为电网频率，中国电网频率为50Hz，理论上N可取1，2，3......50自然数，本发明中选取了50Hz(N = 1)，25Hz(N = 2)，12.5Hz(N = 4)三个频段完成分级变频起动方式。本发明中的无级调压方式是根据当前频率包含的波头数而进行的斩波调压控制，保证各分频段转矩的最大化，而且通过检测电机相电流和续流角的变化，保证电机在接近各分频段的额定转速时，切换到下一频段。

本发明的有益效果是：通过使用分级变频无级调压起动技术可以实现小起动电流，高起动转矩的特点，且装置仅仅在普通电子软起动器的主回路上增加两组反并联可控硅模块，价格优势较变频器明显，且起动性能优于普通电子软起动器。

本发明具有小起动电流，高起动转矩，各分频段切换平滑，价格便宜的特点。本发明主要用于三相异步电动机带重载起动场合。

附图说明

图1为本发明的分级变频无级调压软起动装置***方框示意图。

图2为本发明的分级变频无级调压软起动装置主回路示意图。

图3为本发明的分级变频方式示意图。

图4是本发明的电流信号过零的检测电路原理图。

图5是本发明的电流信号和输入电压信号的采样电路原理图。

图6是本发明的同步信号采集电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例进一步说明本发明的技术特点。

如图1至图3所示。基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置***示意图中包括主回路及主回路控制电路。主回路A是由五组反并联的可控硅构成，通过控制主回路中的双向可控硅的导通来实现改变加载在电机端的电压和频率。主回路控制电路包括DSP控制器、电流信号过零检测电路、电压采样电路、电流采样电路、同步信号采集电路和驱动电路；其中，电压采样电路、同步信号采集电路分别连接在主回路电源输入端与DSP控制器之间，电压采样电路将电压互感器二次侧输出电压信号调理至0~3.3V，供DSP控制器采集，同步信号采样电路将交流信号调理成方波信号，作为触发脉冲对应的每个分频周期的基准时刻；电流采样电路、电流信号过零检测电路分别连接在主回路电源输出端与DSP控制器之间，驱动电路连接在主回路各可控硅控制端与DSP控制器之间，电流采样电路将电流霍尔传感器二次侧输出信号调理至0~3.3V，供DSP控制器采集，电流过零检测电路是通过检测可控硅管压降信号，并通过桥式电压整形和隔离光耦，输出一定频率的方波信号。DSP控制器B输出驱动控制脉冲，电压采样电路C跟踪输入电压的幅值大小，电流采样电路D跟踪装置输出电流，同步信号采集电路E提供驱动控制脉冲的基准时刻，电流信号过零检测电路F提供输出电流过零时刻，驱动电路G是按照DSP控制器B的指令对可控硅进行控制，这样分级变频无级调压软起动装置根据电流采样值，电压采样值，电流过零信号与电压同步信号比较得出的电机续流角的准确值协调控制分级频段平滑切换和输出电流有效值，达到小起动电流，高起动转矩的变频起动效果。

本发明在传统可控硅主回路增加两组反并联可控硅，通过在不同的分频阶段控制五组可控硅的触发顺序，在改变电机输入电源频率的同时，对输入端电压进行调节，来实现分级变频控制。起动过程中按照三级频率逐步提升，直到同电网频率f（50Hz）达到一致，则实现分级变频无级调压软起动过程。将三相正弦交流电变频方法是通过根据要求的分频频率，合理选择交流半波的导通，将n周期的工频交流电合并为一个周期。本发明是三级变频无级调压软起动，频率由12.5Hz→25Hz→50Hz，分为三个阶段。第一阶段，控制器发出f/4触发驱动信号，在工频电源8个半波中，按照仿真计算出的最优方式去掉其中的4个波头，并对剩余的4个半波进行斩波调压，尽可能地提高起动转矩，并使加在电动机的电压基波频率为工频的1/4，即12.5Hz，通过电流信号和续流角信号采样，协调控制电机转速接近对应该频段的额定转速时切换到下一频段。第二阶段，控制器发出f/2触发驱动信号，在工频电源4个半波中，按照仿真计算出的最优方式去掉其中的2个波头，并对剩余的2个半波进行斩波调压，尽可能地提高起动转矩，并使加在电动机的电压基波频率为工频的1/2，即25Hz，通过电流信号和续流角信号采样协调控制电机转速接近对应该频段的额定转速时切换到下一频段。第三阶段，当电机的转速接近1/2全速时，控制器发出工频触发信号，即对交流电每个工频半波进行斩波调压控制，这样就实现了电机由25Hz到50Hz的转变过程。

主回路包括五组反并联的可控硅，其中，三组反并联的可控硅分别串接在三相电源线与电机之间，另二组反并联的可控硅的一端分别与三相电源线中的两相电源线连接，另一端分别交叉与该两相电源线对应的电机端连接。

如图4所示。电流信号过零检测电路由二极管桥式电路，隔离光耦6N139构成；图4中K1K2可控硅压降信号作为输入，经R89电阻限流，通过4个二极管进行整形后的电压输入到隔离光耦，由光耦输出端Vo输出电流过零信号。

如图5所示。电压采样电路和电流采样电路由LM324运放芯片，二极管，电阻，电路构成；互感器二次侧信号经U11A电压跟随后，通过U11B进行零点基准提升，经U11C进行比例调节和U11D电压跟随后，输入到DSP控制器。

如图6所示。同步信号采集电路由隔离光耦6N139，比较器LM339，用于移相的电阻，电容回路构成；由电压互感器二次侧输出的信号经过R1，VR1，C1，R4，R7的移相回路后，进入比较器LM339，比较器输出信号经过隔离光耦6N139后，输出同步信号。

主回路及电流信号过零检测电路、电压采样电路、电流采样电路、同步信号采集电路均为常规电路。

Claims

1.一种基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置，包括连接在电源与电动机之间的由反并联的可控硅组构成的主回路及主回路控制电路，其特征在于：主回路由依次连接的五组反并联的可控硅构成；主回路控制电路包括DSP控制器、电流信号过零检测电路、电压采样电路、电流采样电路、同步信号采集电路和驱动电路；其中，电压采样电路、同步信号采集电路分别连接在主回路电源输入端与DSP控制器之间，电流采样电路、电流信号过零检测电路分别连接在主回路电源输出端与DSP控制器之间，驱动电路连接在主回路各可控硅控制端与DSP控制器之间。

2.根据权利要求1所述的基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置，其特征在于：所述的主回路包括五组反并联的可控硅，其中，三组反并联的可控硅分别串接在三相电源线与电机之间，另二组反并联的可控硅的一端分别与三相电源线中的两相电源线连接，另一端分别交叉与该两相电源线对应的电机端连接。

3.根据权利要求1所述的基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置，其特征在于：所述的电流信号过零检测电路由二极管桥式电路和隔离光耦构成。

4.根据权利要求2所述的基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置，其特征在于：所述的电压采样电路和电流采样电路由四级运放芯片及***元器件组成的放大电路，跟随电路，二极管，电容，电阻构成。

5.根据权利要求2所述的基于无速度传感器的分级变频无级调压软起动装置，其特征在于：所述的同步信号采集电路由移相回路、由比较器及***元器件组成的比较电路和隔离光耦构成。