專利名稱：一種電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于電動機星角切換技術領域，特別是涉及一種電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器。
背景技術：
電動機星角切換常用于電動機繞組星角切換節(jié)能和電動機星角降壓起動。電動機繞組星角切換是電動機節(jié)能常用手段之一。傳統的電動機星角切換裝置， 目前常見的有二種第一種利用單片機控制接觸器開關實現星角切換。切換不夠快速，并且接觸器開關在斷開時由于電弧的存在，還會引起過電壓。第二種采用可控硅無觸點開關取代接觸器，保證了星角切換的快速性。但是由于可控硅采用三相同時導通的觸發(fā)策略，切換時仍會產生較大的沖擊電流。當電動機負載率頻繁變化時，會造成星角切換節(jié)能效率的降低。電動機在直接起動時會產生很大的沖擊電流，不僅會造成電動機的發(fā)熱損壞，還會引起供電電網的電壓劇烈波動。傳統的星角降壓起動，無法對電動機的起動電壓進行連續(xù)調節(jié)，在起動過程中星接變?yōu)榻墙訒r仍會產生較大的電流沖擊。電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器就是通過DSP微處理器控制兩套晶閘管開關快速地實施星角軟切換，消除切換時的電流和轉矩沖擊，使需要頻繁進行星角切換節(jié)能和星角起動得以實現，而且它相對于半固態(tài)星角軟切換控制器具有更加快速靈活的特點。
發(fā)明內容本實用新型的目在于提供一種電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器，克服了現有技術的不足，實現電動機繞組星角軟切換節(jié)能的同時，還可以實現電動機的星角軟起動。本實用新型包括開關元件、數據采集單元、微機控制單元、驅動單元、觸發(fā)單元、二次回路其他元件及接線。數據采集單元與微機控制單元直接相連，將輸入信號提供給微機控制單元；微機控制單元與驅動單元和觸發(fā)單元分別相連，將各自輸出信號分別發(fā)出給它們；驅動單元與開關元件中的接觸器相連，驅動其閉合或斷開；觸發(fā)單元與開關元件中的晶閘管相連，實施星角軟切換控制；二次回路其它元件包含變壓器和開關電源等器件，作為微機控制單元、觸發(fā)單元和驅動單元一部分的直流電源，另外還包含驅動單元互鎖回路的一些接線。開關元件包括兩套(六對)反并聯晶閘管和兩個接觸器，還包括空氣斷路器，對電路進行保護。其中反并聯晶閘管是本實用新型的主要開關元件，可以由雙向晶閘管或其他電力電子開關取代，兩套晶閘管開關分別用于電動機繞組的星型連接和角型連接，因此稱為全固態(tài)。其中，三對反并聯晶閘管SCRl和接觸器KMl串聯，在三相電源和電動機繞組之間構成回路，形成電動機的角接；另三對反并聯晶閘管SCR2和接觸器KM2串聯，在三相電源和電動機繞組之間構成回路，形成電動機的星接；在三相電源和電動機定子繞組之間接入空氣斷路器，對主電路起到保護的作用。數據采集單元由二個電壓互感器和一個電流互感器構成。其中一個電壓互感器的二個輸入端分別和主電路中電源的A相和B相并聯，檢測電源三相線電壓Uabo另外一個電壓互感器的二個輸入端分別和主電路中電源的B相和C相并聯，檢測電源三相線電壓Ubco 電壓互感器的輸出端經過電壓調理電路連接到微機控制單元。電流互感器從主電路中采集三相相電流信號，輸出端經過調理電路連接到微機控制單元。微機控制單元包括了 DSP芯片和AD轉化芯片。其中DSP采用TI公司的 TMS320F2812。AD轉化芯片采用2片AD7656，能同時對12個通道的信號進行數模轉化。檢測單元檢測到的信號輸入到DSP后，進入AD轉化芯片完成數模轉化后，DSP將對數字信號進行分析處理，然后輸出信號實現對開關單元的控制。驅動單元用來驅動接觸器，采用二級驅動方式，用DSP的輸出驅動繼電器，再通過繼電器驅動接觸器，并使用光耦隔離，將輸入和輸出的信號在電氣上完全隔離。觸發(fā)單元用來觸發(fā)晶閘管，采用脈沖列觸發(fā)的方式，DSP輸出的控制信號與脈沖列信號經過門電路，通過MOSFET進行功率放大后，送入脈沖變壓器，輸出的信號控制晶閘管觸發(fā)。為了實現對接觸器和晶閘管的控制，微機控制單元的輸出和驅動單元及觸發(fā)單元相連接。DSP通過對采集單元采集的信號進行分析處理，判斷電動機的負載情況，從而作出是否進行星角軟切換的判斷。當電動機處于輕載時，電動機由角接向星接進行切換，此時DSP先控制SCRl關斷， 然后斷開KMl，最后按星接軟切換方法觸發(fā)SCR2，控制電動機無沖擊地切換為星接。當電動機處于重載時，電動機由星接向角接進行切換，此時DSP先控制SCR2關斷， 然后關斷KM2，最后按角接軟切換方法觸發(fā)SCR1，控制電動機無沖擊地切換為角接。二次回路其他元件中包括380/220的單相變壓器、實現接觸器二次控制的繼電器及開關電源。單相變壓器從三相電源的任意二相線電壓接入，輸出的220V交流電壓接入開關電源輸入端，開關電源輸出5V和12V的直流電壓，接入微機控制單元、觸發(fā)單元和驅動繼電器的作為它們的供電電源。實現接觸器二次控制的繼電器常開觸點和接觸器的常閉觸點配合，實現KMl和KM2的互鎖。與現有技術相比，本實用新型的有益效果是本實用新型利用六對無觸點無電弧可控硅開關，通過系列觸發(fā)控制實現電動機磁鏈在三相繞組星接和角接之間能夠平滑地過渡，從而抑制了星角切換過程中的電流和轉矩沖擊。當控制器處于電動機繞組星角切換節(jié)能模式下時，即使電動機負載頻繁變化，也不會降低星角切換節(jié)能效率。當控制器處于電動機星角起動模式下，星角切換時電壓的突變不會造成電動機的起動電流的增大。

圖1為本實用新型的U1-W2，V1-U2，W1-V2形成角接的主電路拓撲結構圖。圖2為本實用新型的U1-V2，V1-W2，W1-U2形成角接的主電路拓撲結構圖。圖3為本實用新型的二次回路圖。[0025]圖4為本實用新型的微機單元控制示意圖。
具體實施方式
本實用新型包括開關元件、數據采集單元、微機控制單元、驅動單元、觸發(fā)單元、二次回路其他元件及接線。數據采集單元與微機控制單元直接相連，將輸入信號提供給微機控制單元；微機控制單元與驅動單元和觸發(fā)單元分別相連，將各自輸出信號分別發(fā)出給它們；驅動單元與開關元件中的接觸器相連，驅動其閉合或斷開；觸發(fā)單元與開關元件中的晶閘管相連，實施星角軟切換控制；二次回路其它元件包含變壓器和開關電源等器件，作為微機控制單元、觸發(fā)單元和驅動單元一部分的直流電源，另外還包含驅動單元互鎖回路的一些接線。
以下結合附圖與具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細描述圖1是本實用新型的本實用新型的U1-W2，V1-U2，W1_V2形成角接的的主電路拓撲結構圖。其中SCRl和SCR2是反并聯晶閘管，KMl和KM2是接觸器，U1-U2，V1-V2，W1-W2分別是電動機的三相繞組，QF是空氣斷路器，L1、L2和L3是三相電源線，N是地線。空氣斷路器QF接在三相電源和電動機繞組之間，從電動機繞組上端口 U1、VI、Wl接入可控硅SCRl， 可控硅SCRl和接觸器KMl串聯后接入電動機繞組的W2、U2、V2端。在電動機繞組下端U2、 V2、W2接入可控硅SCR2，可控硅SCR2和接觸器KM2串聯。圖2是本實用新型的U1-V2，V1-W2，W1-U2形成角接的主電路拓撲結構圖。其中 SCRl和SCR2是反并聯晶閘管，KMl和KM2是接觸器，U1-U2，V1-V2，W1-W2分別是電動機的三相繞組，QF是空氣斷路器，Li、L2和L3是三相電源線，N是地線?？諝鈹嗦菲鱍F接在三相電源和電動機繞組之間，從電動機繞組上端口 U1、VI、Wl接入可控硅SCRl，可控硅SCRl 和接觸器KMl串聯后接入電動機繞組的V2、W2、U2端。在電動機繞組下端U2、V2、W2接入可控硅SCR2，可控硅SCR2和接觸器KM2串聯。圖3是本實用新型控制二次回路圖。當DSP給KMl的驅動電路發(fā)出低電平信號， 繼電器KAl的線圈通電，常開觸點KAl-O閉合，KMl線圈閉合，KMl的常閉觸點KMl-C斷開， 此時KM2線圈斷電，保證了 KMl閉合的同時KM2處于關斷狀態(tài)。同理KM2閉合的同時KMl 關斷。由于KMl和SCRl串聯而KM2和SCR2串聯，因此KMl和KM2之間的互鎖實現了 SCRl 和SCR2之間的互鎖，在電動機進行星角軟切換時，不會因為反并聯晶閘管的誤觸發(fā)而導致發(fā)生短路故障。此外在二次回路中還通過380/220的變壓器，給開關電源供電，進而為DSP {共 ο圖4是本實用新型的微機單元控制示意圖。數據采集單元中的電壓互感器和電流互感器檢測電源側電壓和電流。采集來的信號經過調理電路調整到AD7656能接受的直流電壓范圍-10V-+10V，然后AD7656將采集的電壓和電流模擬量轉換成數字量，傳輸到DSP 中。DSP對輸入進來的數字信號進行分析進算，得出電動機負載率β和星角切換臨界負載率β c，根據β和β c的大小，給驅動單元和觸發(fā)單元發(fā)出信號。觸發(fā)單元的信號經過光電隔離和脈沖發(fā)生器發(fā)出的信號經過門電路后，送入脈沖變壓器，通過控制可控硅的陽極和陰極實現SCRl和SCR2的觸發(fā)。驅動單元的信號經過光電隔離，通過驅動繼電器的線圈來實現接觸器KMl和ΚΜ2的閉合及關斷。本實用新型的電動機星角軟起動的具體實施策略如下DSP上電，電動機開始起動。接觸器KM2閉合，可控硅SCR2按照星接軟切換控制策略觸發(fā)，此時電動機處于星接運行狀態(tài)。在電動機轉速達到整定值時，可控硅SCR2停止觸發(fā)，接觸器KM2關斷，接觸器KMl 閉合，然后SCRl按照角接軟切換控制策略觸發(fā)，電動機完成星角軟起動。本實用新型即可以在電動機起動時實現星角軟起動，也能夠在電動機運行期間實現繞組的星角軟切換節(jié)能。本實用新型的電動機實現星角軟切換的具體實施策略如下在電動機處于星接運行的狀態(tài)下，DSP利用檢測到的信號計算分析出電動機負載率β和星角切換臨界負載率 3。，若β < β。，電動機保持星接運行。若β > β。，電動機將進行星接向角接的軟切換。 具體軟切換過程如下可控硅SCR2先停止觸發(fā)，然后接觸器ΚΜ2關斷，電動機從星接運行狀態(tài)下斷開；之后接觸器KMl閉合，可控硅SCRl再按照星角軟切換策略觸發(fā)，此時電動機完成星接向角接軟切換，電動機處于角接運行狀態(tài)。此時若β > β。，電動機保持角接運行狀態(tài)；若β < β。，電動機又要向星接進行軟切換。具體軟切換過程如下可控硅SCRl先停止觸發(fā)，然后接觸器KMl關斷，電動機從角接運行狀態(tài)下斷開；之后接觸器ΚΜ2閉合，可控硅 SCR2在按照星角軟切換策略觸發(fā)，此時電動機完成角接向星接的軟切換，電動機處于星接運行狀態(tài)。重復以上步驟就實現了電動機的頻繁星角軟切換。本實用新型在電動機星角軟起動時，很好地抑制了電動機星角起動時的電流沖擊。在電動機起動結束后，根據電動機負載的情況，借助DSP實現了電動機繞組的星角軟切換控制，也能夠減小了切換時的沖擊電流，改善了頻繁進行星角切換電動機的節(jié)能效率。
權利要求1.一種電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器，其特征在于，包括開關元件、數據采集單元、微機控制單元、驅動單元、觸發(fā)單元、二次回路其他元件；數據采集單元與微機控制單元直接相連，微機控制單元與驅動單元和觸發(fā)單元分別相連，驅動單元與開關元件中的接觸器相連，觸發(fā)單元與開關元件中的晶間管相連，二次回路其它元件包含變壓器和開關電源，作為微機控制單元、觸發(fā)單元和驅動單元一部分的直流電源；所述的開關元件包括兩套六對反并聯晶閘管、兩個接觸器、空氣斷路器，兩套晶閘管開關分別用于電動機繞組的星型連接和角型連接；其中，三對反并聯晶閘管SCRl和接觸器KMl串聯，在三相電源和電動機繞組之間構成回路，形成電動機的角接；另三對反并聯晶閘管SCR2和接觸器KM2串聯，在三相電源和電動機繞組之間構成回路，形成電動機的星接；在三相電源和電動機定子繞組之間接入空氣斷路器。
2.根據權利要求1所述的電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器，其特征在于，所述的數據采集單元由二個電壓互感器和一個電流互感器構成；其中一個電壓互感器的二個輸入端分別和主電路中電源的A相和B相并聯，另外一個電壓互感器的二個輸入端分別和主電路中電源的B相和C相并聯，電壓互感器的輸出端經過電壓調理電路連接到微機控制單元。
3.根據權利要求1所述的電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器，其特征在于，所述的微機控制單元包括了 DSP芯片和AD轉化芯片；其中DSP TMS320F2812, AD轉化芯片采用2片AD7656。
4.根據權利要求1所述的電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器，其特征在于，所述的微機控制單元的輸出和驅動單元及觸發(fā)單元相連接。
專利摘要一種電動機星角軟切換的全固態(tài)控制器，屬于電動機星角切換技術領域。包括開關元件、數據采集單元、微機控制單元、驅動單元、觸發(fā)單元、二次回路其他元件及接線。數據采集單元與微機控制單元直接相連，將輸入信號提供給微機控制單元；微機控制單元與驅動單元和觸發(fā)單元分別相連，將各自輸出信號分別發(fā)出給它們；驅動單元與開關元件中的接觸器相連，驅動其閉合或斷開；觸發(fā)單元與開關元件中的晶閘管相連，實施星角軟切換控制；二次回路其它元件包含變壓器和開關電源等器件，作為微機控制單元、觸發(fā)單元和驅動單元一部分的直流電源。優(yōu)點在于，能對需要頻繁進行星角切換節(jié)能的電動機實現無沖擊的星角軟切換，解決了傳統星角啟動裝置在進行星角切換時的電流沖擊問題。
文檔編號H02P1/32GK202334402SQ201120462549
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權日2011年11月18日
發(fā)明者宋可心, 崔學深, 張自力, 朱亮, 王義龍 申請人:華北電力大學