高压矩阵式变频软起装置及控制方法与流程

1.本发明属于自动化控制技术领域，具体涉及一种高压矩阵式变频软起装置，还涉及一种高压矩阵式变频软起装置控制方法。


背景技术：

2.在工业领域对于大型高压电机，在启动的瞬间电流可以达到几百安，对电网的冲击非常大，会影响同一电网所带其它负载的正常工作，同时还因为负载的启动电流太大，对高压电机绕组的绝缘也极为不利。所以大型高压电机一般都要实行软起动，所谓软起动就是在启动初期加的电压要低于额定电压，常见的软起动有软起动器启动和自耦变压器降压启动，自耦变压器降压启动在高压电机启动的初期先加上额定电压60％到80％的电压，当高压电机转动起来以后，再切换到额定电压下工作，而软起动器给电动机的电压是从零逐渐到额定电压的，启动过程更为平滑，启动效果更好，对电网冲击和对绕组的伤害也较小，要优于自耦变压器降压启动，这是软起动器在工业应用的优势所在。
3.然而目前传统的软起动器通过控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压会根据不同的要求而变化，主要用于降压启动和停止的场合，电机转速不可调节，转矩受到限制，不能实现零压零冲击启动；而使用变频器启动电机可以克服以上问题，但由于传统高压变频器结构复杂、体积较大，功率器件较多，成本较高，所以不便于普遍推广，因此，如何实现小体积、低成本的变频式软起，具有深远的市场价值，高压矩阵式变频软起装置及控制方法便在此背景下应运而生，不仅可以满足控制电机转速，降低冲击载荷，起动转矩可达到100％，灵活设置启动时间可使启动电流平缓并控制在额定电流以下，还可以减小体积、降低成本。
4.本发明中aya mu矩阵变换器主部件详细参见专利文献：申请号为cn202110537937.2，公告号为cn113037101b，授权号zl202110537937.2，名称为一种高频矩阵式轻量型全封闭高压变频装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种高压矩阵式变频软起装置，解决了现有技术中存在的传统软起动器通过控制三相反并联晶闸管的导通角，主要用于降压启动和停止的场合，电机转速不可调节，转矩受到限制，不能实现零压零冲击启动，而使用变频器启动电机由于传统高压变频器结构复杂、体积较大，功率器件较多，成本较高，不便于普遍推广的问题，降低软起动器输出频率和输出电压，降低电机电流，达到满足控制电机转速，降低冲击载荷，起动转矩可到100％，灵活设置启动时间能够使启动电流平缓并控制在额定电流以下的目的。
6.本发明所采用的第一种技术方案是，高压矩阵式变频软起装置，包括连接高压电源的输入接触器组，接触器组依次连接aya mu矩阵变换器主部件、输出接触器组，输入接触器组、aya mu矩阵变换器主部件、输出接触器组均通过高速光纤网络连接主控制器，数据双向实时传输，主控制器连接电流电压传感器a，主控制器还连接电流电压传感器b，还包括连
接高压电源与高压电机之间的旁路开关，主控制器通过控制线缆连接hmi操作面板、旁路开关。
7.本发明采用aya mu矩阵变换器主部件作为软起动器电机驱动核心环节，变频单元包含九个集成模块，九个集成模块分为三组，每组集成模块输入端均连接输入接触器组输出端一相，每组集成模块输出端分别连接输出接触器组输入端三相，每个集成模块由八个反串联igbt子模块及其驱动电路串联组成，形成了以低压高频igbt为基本组成单元的满足高压场合应用的变频驱动系统。
8.主控制器为dsp高频数字信号处理芯片，且载入pwm调制占空比算法程序，对主控制器信号进行高速分析、变换、滤波、检测、调制和解调；矩阵式软起动器的输入、输出端均装有电流和电压传感器，检测电机的运行电流、电压和相位，控制系统采集到电机电流，将此电流值与设定的启动电流预设值作为比较，如果反馈电流小于设定电流，经过pi运算，增加igbt的驱动脉冲的占空比，从而提升软起动器输出频率和输出电压，加大电机电流，如果反馈电流大于设定电流，经过pi运算，减小igbt的驱动脉冲的占空比，从而降低软起动器输出频率和输出电压，降低电机电流，达到满足控制电机转速，降低冲击载荷，起动转矩可到100％，灵活设置启动时间可使启动电流平缓并控制在额定电流以下的目的，aya mu矩阵变换器主部件可以四象限运行，将电机的能量回馈到电网，在电机需要停车时，可以投入软停车功能，使电机很快停止，也可以灵活控制电机的停车时间。
9.输入接触器组包括并列设置的接触器a、接触器b、接触器c，接触器a、接触器b、接触器c输入端分别连接高压电源的三相，接触器a、接触器b、接触器c输出端均连接aya mu矩阵变换器主部件，接触器a、接触器b、接触器c的输入端、输出端均连接主控制器。
10.输出接触器组包括并列设置的接触器e、接触器f、接触器g，接触器e、接触器f、接触器g输入端均连接aya mu矩阵变换器主部件，接触器e、接触器f、接触器g输出端分别连接高压电机的三相，接触器e、接触器f、接触器g输入端、输出端均连接主控制器。
11.主控制器、hmi操作面板均连接外部辅助电源。
12.本发明采用的第二种技术方案是，一种高压矩阵式变频软起装置的控制方法，具体控制过程为：
13.上电后排查所有硬件，若测试时装置存在异常，主控制器同时切断输入接触器组、输出接触器组、旁路开关；
14.电网侧10kva高压电通过高压电源输送到软起装置上，初始时旁路开关处于闭合状态，电流进入输入接触器组，进行欠压或失压保护后电流流入aya mu矩阵变换器主部件；
15.主控制器和hmi操作面板经由外部辅助电源启动，初始化设置后，扫描通讯状态，确保通讯平稳正常后，通过hmi操作面板输入控制指令至主控制器，启动pwm调制占空比算法对aya mu矩阵变换器主部件输出电压进行斩波控制，并输入至输出接触器组；
16.通过电流电压传感器a检测高压电机的运行电流、电压和相位，预先在主控制器内输入启动电流预设值，主控制器通过电流电压传感器a采集到高压电机输入电流作为反馈电流，将反馈电流与设定的启动电流预设值比较，如果反馈电流不大于启动电流预设值，增加aya mu矩阵变换器主部件中驱动脉冲的占空比；如果反馈电流大于启动电流预设值，减小aya mu矩阵变换器主部件中驱动脉冲的占空比；
17.高压电机正常启动后，主控制器发出指令切断输入接触器组和输出接触器组，令
旁路开关合闸，则软起过程完成，高压电源输出端连接电流电压传感器b，主控制器通过电流电压传感器b检测的高压电源输出端的电压相位，通过调制旁路开关输出与高压电源相匹配的电压相位，保证高压电机与高压电源完全同步完成软起过程切换主回路，实现了电源同步无扰动切换；
18.在高压电机需要停车时，aya mu矩阵变换器主部件中的功率开关器件自动反向运行，用户通过hmi操作面板向主控制器发出指令后，先发送控制信号接通输入接触器组，启动主控制器中的pwm调制程序，将输出的电压波形调制到与电网电压同步，然后接通输出接触器组，断开旁路开关，控制高压电机减速停车。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明一种高压矩阵式变频软起装置及控制方法，采用aya mu矩阵式高压变频器主部件作为软起动器电机驱动环节，变频单元包含9个集成模块，每个集成模块由8个反串联igbt子模块及其驱动电路串联组成，形成了以低压高频igbt为基本组成单元的满足高压场合应用的变频驱动系统；解决了使用传统变频器启动电机由于高压变频器结构复杂、体积较大，功率器件较多，成本较高，不便于普遍推广的问题；设有输入、输出接触器和旁路开关，灵活自动切换电机主回路，安全可靠性高，经过pi运算，调节igbt的驱动脉冲的占空比，从而降低软起动器输出频率和输出电压，降低电机电流，达到满足控制电机转速，降低冲击载荷，起动转矩可达到100％，极大提升了软起动器重载启动特性，aya mu矩阵变换器主部件可以四象限运行，将电机的能量回馈到电网，在电机需要停车时，可以投入软停车功能，使电机很快停止，也可以灵活控制电机的停车时间。
附图说明
21.图1是本发明高压矩阵式变频软起装置及控制方法组成结构示意图；
22.图2是本发明高压矩阵式变频软起装置及控制方法组装后的正视图；
23.图3是本发明高压矩阵式变频软起装置及控制方法组装后的侧视图；
24.图4是本发明高压矩阵式变频软起装置及控制方法组装后的立体图；
25.图5是本发明中aya mu矩阵变换器主部件电气原理示意图。
26.图中，1.输入接触器组，2.aya mu矩阵变换器主部件，3.输出接触器组，4.电流电压传感器a，5.主控制器，6.hmi操作面板，7.旁路开关，8.电流电压传感器b。
具体实施方式
27.下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.本发明高压矩阵式变频软起装置及控制方法，电路连接关系如图1所示，高压电源来自10kv高压电网，分别包括a相、b相、c相，高压电源依次通过高压线缆连接输入接触器组1、aya mu矩阵变换器主部件2、输出接触器组3，输出接触器组3用于连接高压电机，高压电源与高压电机之间连接旁路开关7，当输入接触器组1、输出接触器组3断开，只接通旁路开关7时，高压电源与高压电机之间相当于普通电缆连接，输入接触器组1、aya mu矩阵变换器主部件2、输出接触器组3均通过高速光纤连接主控制器5，能够实现数据双向实时传输，主控制器5连接电流电压传感器a4，电流电压传感器a4连接高压电机输入端，用于采集高压电机输入端电压、电流、相位，主控制器5连接电流电压传感器b8，电流电压传感器b8连接高压
电源输出端，用于采集高压电源输出端电压、电流、相位，主控制器5还连接hmi操作面板6、旁路开关7，当旁路开关7断开，输入接触器组1、输出接触器组3接通时，能够对输入高压电机内的电压、电流进行控制，各组件实体图如图2、图3、图4所示。
29.如图5所示，aya mu矩阵变换器主部件2为包括并列设置的9个集成模块，每个集成模块均有8个反串联igbt子模块组成，达成了以低压高频igbt为基本组成单元的满足高压场合应用的软起动器核心驱动部件。
30.本发明中主控制器5为dsp高频数字信号处理芯片，且载入pwm调制占空比算法程序，能够对接收的信号进行高速分析、变换、滤波、检测、调制和解调。
31.输入接触器组1包括并列设置的接触器a、接触器b、接触器c，接触器a、接触器b、接触器c输入端分别连接高压电源的三相，即接触器a接高压电源a相，接触器b连接高压电源b相，接触器c连接高压电源c相，接触器a、接触器b、接触器c输出端均连接aya mu矩阵变换器主部件2，接触器a、接触器b、接触器c的输入端、输出端均连接主控制器5，能够实现接触器a、接触器b、接触器c与主控制器5数据的双向传输，接触器a、接触器b、接触器c能够接收主控制器5的接通或断开指令，主控制器5能够接收接触器a、接触器b、接触器c接入电路的信号，在接触器a、接触器b、接触器c接入电路后启动pwm调制占空比算法程序。
32.输出接触器组3包括并列设置的接触器e、接触器f、接触器g，接触器e、接触器f、接触器g输入端均连接aya mu矩阵变换器主部件2，接触器e、接触器f、接触器g输出端分别连接高压电机的三相，即接触器e连接高压电机输入端a相电路，接触器f连接高压电机输入端b相电路，接触器g连接高压电机输入端c相电路，接触器e、接触器f、接触器g输入端、输出端均连接主控制器5，接触器e、接触器f、接触器g与主控制器5数据的双向传输，主控制器5能够接收接触器e、接触器f、接触器g接入电路的信号，且能发出指令控制接触器e、接触器f、接触器g接入电路或断开。
33.电流电压传感器a4包括3个电压传感器、3个电流传感器，其中一个电压传感器、一个电流传感器输入端连接高压电机输入端一相，能够测量每相线路上的电压、电流，3个电压传感器、3个电流传感器输出端均连接主控制器5将检测的电压、电流、相位传输至主控制器5中，便于主控制器5进行调控aya mu矩阵变换器主部件2的输出。
34.电流电压传感器b8包括3个电压传感器、3个电流传感器，其中一个电压传感器、一个电流传感器输入端均连接高压电源的一相，输出端均连接主控制器5，电流电压传感器b8用于测量高压电源输出的三相电压、电流、相位，并将高压电源输出的三相电压、电流、相位传输至主控制器5。
35.本发明中，aya mu矩阵变换器主部件2中包括变频单元，变频单元结构如图5所示，包含九个集成模块，分别为：集成模块a、集成模块b、集成模块c、集成模块d、集成模块e、集成模块f、集成模块g、集成模块h、集成模块i，其中集成模块a、集成模块d、集成模块g输入侧均连接高压电源的a相，集成模块b、集成模块e、集成模块h输入侧均连接高压电源的b相，集成模块c、集成模块f、集成模块i输入侧均连接高压电源的c相，九个集成模块均连接主控制器5，集成模块a、集成模块b、集成模块c输出侧均连接接触器e，集成模块d、集成模块e、集成模块f输出侧均连接接触器f，集成模块g、集成模块h、集成模块i输出侧均连接接触器g，每个集成模块由八个反串联igbt子模块及其驱动电路串联组成，达成了以低压高频igbt为基本组成单元的满足高压场合应用的软起动器核心驱动部件，其中，每个集成模块由八个反
串联igbt子模块及其驱动电路串联组成；本发明中反串联igbt子模块采用4500v电压等级的绝缘栅双极型晶体管元件。
36.主控制器5、hmi操作面板6均连接外部辅助电源，用于对主控制器5、hmi操作面板6初始启动控制。
37.本发明一种高压矩阵式变频软起装置及控制方法的实时流程为：
38.上电后排查所有硬件，若测试时装置存在异常，主控制器5可同时切断输入接触器组1、输出接触器组3、旁路开关7，使软起装置处于安全检修独立状态，确保各器件指示元件显示正常和网络通讯畅通。
39.电网侧10kva高压电通过高压电源输送到软起装置上，初始时旁路开关7处于关闭状态，电流进入输入接触器组1，进行欠压或失压保护后电流流入aya mu矩阵变换器主部件2。
40.主控制器5和hmi操作界面经由外部辅助电源启动，初始化设置后，扫描通讯状态，确保通讯平稳正常后，按预置算法软件分别通过光纤网络输出指令给aya mu矩阵变换器主部件2，程序通过占空比pwm调制算法进行斩波控制，调制电压输出波形，igbt采用4500v电压等级的绝缘栅双极型晶体管元件，调制后的电压进入输出接触器组3。
41.电流电压传感器a4检测高压电机的运行电流、电压和相位，先在主控制器5内输入启动电流预设值，主控制器5通过电流电压传感器a4采集到高压电机输入电流，将此电流值与设定的启动电流预设值作为比较，如果反馈电流小于启动电流预设值，主控制器5经过pi运算，增加aya mu矩阵变换器主部件2中igbt的驱动脉冲的占空比，从而提升软起动器输出频率和输出电压，加大高压电机电流，如果输出传感器组反馈电流大于启动电流预设值，主控制器5经过pi运算，减小aya mu矩阵变换器主部件2中igbt的驱动脉冲的占空比，从而降低软起动器输出频率和输出电压，降低高压电机电流，该过程只需要在设备调试阶段设置一次，随后便可完成软起动器一键式运行。
42.高压电机正常启动后，主控制器5发出指令切断输入接触器组1和输出接触器组3，令旁路开关7合闸，则软起过程完成，高压电源输出端连接电流电压传感器b8，主控制器5通过电流电压传感器b8的检测的高压电源输出端的电压相位，通过调制旁路开关7输出与高压电源相匹配的电压相位，保证与高压电源完全同步完成软起过程切换主回路，实现了电源同步无扰动切换，高压电机处于正常运行状态。
43.aya mu矩阵变换器主部件2能够实现四象限运行，将高压电机的能量回馈到电网，在高压电机需要停车时，aya mu矩阵变换器主部件2中的功率开关器件自动反向运行，在此期间主控制器5中的软件收到来自hmi操作面板6的用户停车指令后，先发送控制信号接通矩阵变频器的输入接触器组1，启动矩阵变频器的主控制器5中的pwm调制程序，将输出的电压波形调制到与电网电压同步，然后接通矩阵变频器的输出接触器组3，断开旁路开关7，此由变频器控制高压电机减速停车，使高压电机以较快速度停止运行，从而灵活控制高压电机的停车时间。
44.通过上述方式，本发明高压矩阵式变频软起装置及控制方法，采用aya mu矩阵变换器主部件作为软起动器电机驱动核心环节，变频单元包含9个集成模块，每个集成模块由8个反串联igbt子模块及其驱动电路串联组成，形成了以低压高频igbt为基本组成单元的满足高压场合应用的软起系统；解决了使用传统变频器启动电机由于高压变频器结构复
杂、体积较大，功率器件较多，成本较高，不便于普遍推广的问题；设有输入、输出接触器和旁路开关，灵活自动切换电机主回路，安全可靠性高，主控制器采用dsp高频数字信号处理芯片作为核心元件，对主控制器信号进行高速分析、变换、滤波、检测、调制和解调；矩阵式软起动器的输出端装有电流传感器，将此电流值与设定的启动电流预设值作为比较，调节igbt的驱动脉冲的占空比，从而降低软起动器输出频率和输出电压，降低电机电流，达到满足控制电机转速，降低冲击载荷，起动转矩可达到100％。