本发明公开了一种兼顾无功补偿的电机软启动装置及其控制方法，该装置包括功率变换器、切换开关和主控制器，切换开关包括电网侧开关、电机侧开关和并网开关；功率变换器包括三相移相变压器、若干个整流模块和逆变模块、交流电抗器，三相移相变压器的原边绕组通过电网侧切换开关与电网相连，副边绕组与同级的整流模块相连，整流模块与逆变模块相连，同相的逆变模块依次串联后与交流电抗器相连，交流电抗器通过电机与电网相连；主控制器分别与安装在三相移相变压器原边和交流电抗器的电压互感器和电流互感器相连，经过光纤与逆变模块相连。本发明还公开了基于上述装置的控制方法。本发明可实现电机的软启动，且可根据电机的工况动态补偿无功功率。
1.一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，包括功率变换器、切换开关和主控制器，所述切换开关包括电网侧开关、电机侧开关和并网开关；所述功率变换器包括三相移相变压器、若干个整流模块和逆变模块、交流电抗器，三相移相变压器的原边绕组通过电网侧切换开关与电网相连，副边绕组分为N组绕组；整流模块的输入侧与同级的三相移相变压器副边绕组相连，输出侧与逆变模块的输入侧相连，同相的逆变模块依次串联后构成换流链，与交流电抗器相连，交流电抗器经过电机侧开关后与电机定子相连，电机定子经过并网开关与电网相连；所述主控制器与安装在三相移相变压器原边的电网侧电压互感器和电流互感器相连，与安装在交流电抗器输出端的电机侧电流互感器和电压互感器相连，经过光纤与逆变模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，所述三相移相变压器的原边绕组为高压侧，副边绕组为低压侧且分为多组副边绕组，每组副边绕组输出电压幅值相等，相位依次相差一个移相角。
3.根据权利要求2所述的一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，移相角为60°/N，N为三相移相变压器副边绕组的组数。
4.根据权利要求1所述的一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，所述整流模块包括二极管构成的三相整流电路，用于将交流电压转化为直流电压。
5.根据权利要求1所述的一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，所述逆变模块包括连接接触器、直流支撑电容、H桥逆变电路和模块控制器，逆变模块通过连接接触器与整流模块连接，直流支撑电容用于稳定直流电压，其两端为逆变模块的输入侧，H桥逆变电路的输出为逆变模块的输出侧，模块控制器与连接接触器、直流支撑电容和H桥逆变电路相连，和主控制器通过光纤相连，用于接收主控制器的指令控制逆变模块工作，同时反馈逆变模块的状态信息；所述H桥逆变电路用于将直流电压转化为交流电压。
6.根据权利要求5所述的一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，所述逆变模块中H桥逆变电路由全控型电力电子器件构成。
7.根据权利要求1所述的一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，所述功率变换器中的交流电抗器用于吸收装置输出电压中的高次成分，在电机投入电网时限制控制误差可能造成的环流，补偿无功时隔离电网电压和换流链的输出电压。
8.根据权利要求1所述的一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，其特征在于，所述切换开关根据主控制器的指令动作，在启动电机时功率变换器与电机串联，在补偿无功时功率变换器与电机并联。
9.一种如权利要求5所述的兼顾无功补偿的电机软启动装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）先闭合连接三相移相变压器原边与电网的电网侧开关，再闭合连接电抗器和电机定子侧的电机侧开关，此时直流支撑电容两端建立起直流电压，且功率变换器和电机之间成为串联关系；
（2）主控制器按照设定的加速曲线成比例的升高输出电压的频率和幅值，电机在输出电压的作用下从静止开始逐渐加速；
（3）输出电压的频率上升至工频、幅值上升至电机额定电压值时，主控制器采集电压互感器测量的电网电压信号，对电网电压进行锁相，得到电网电压的相位；
（4）主控制器根据电网电压的锁相结果，以电网电压为参考，调节输出电压的幅值和相位，将电机输入电压控制到和电网电压完全一致，也就是频率、幅值和相位均与电网电压重合，此时同步成功；
（5）同步成功后稳定运行一段时间，主控制器发出电机并网指令，闭合该电机与电网连接处的并网开关，该电机投入电网，断开交流电抗器与该电机连接处的电机侧开关，此后该电机由电网馈电，软启动完成；然后判断系统中是否有其他待启动的电机，是则依次重复步骤（1）至（5），直至所有待启动电机均完成软启动，然后进入步骤（6），否则直接进入步骤（6）；
（6）主控制器发出指令，断开电网侧开关，断开每一个逆变模块内的连接接触器，功率变换器蜕变为同相的逆变模块和交流电抗器串联，闭合电机侧开关，将装置再次投入电网，此时功率变换器与电机成为并联关系；
（7）主控制器根据电压互感器和电流互感器测量电机定子侧的电压和电流信号计算待补偿的无功功率，控制功率变换器输出等量的无功功率，实现无功补偿。
10.根据权利要求9所述的兼顾无功补偿的电机软启动装置的控制方法，其特征在于，所述步骤（2）中设定的加速曲线表示如下：其中u为装置输出电压，f为输出电压的频率，fN为电机额定频率，UN为电机额定电压，U0为转矩提升电压，为0.01～0.05倍的电机额定电压，选择的U0不同则得到的加速曲线不同。
一种兼顾无功补偿的电机软启动装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电机软启动研究领域，特别涉及一种兼顾无功补偿的电机软启动装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 在实际应用中，如果将电机，尤其是将高压大功率电机直接启动，会产生几倍于额定电流的启动电流，该电流所引起的电气和机械冲击将会导致电机启动失败，甚至威胁到设备安全，因此必须采用启动装置对电机启动过程中的电流加以限制。现有的电机启动装置包括：串联电抗器降压启动器、可变电阻启动器和电子式晶闸管调压软启动装置等。这些启动装置都存在一些问题，例如采用串联电抗器降压启动器时，启动的冲击电流较大，切换时存在二次冲击；采用可变电阻启动器则占地面积大，土建费用高，且不能在短时间内再次投入使用；电子式晶闸管调压软启动装置，采用相控方式调节输出电压，会降低电网功率因数，并带来谐波污染。另外，在电机启动完成后，电机切入工频电网运行，启动设备退出运行。因此，传统电机启动技术方案中，设备的利用率是非常低的。
[0003] 目前，高压大功率电机主要是异步电机，异步电机的额定功率因数在0.9左右，轻载运行时功率因数会更低，所以需要安装无功补偿设备，目前无功补偿设备主要是指电力电容器，但是电力电容器补偿特性取决于电源电压水平，其不能根据负载变化实现动态补偿，只能通过机械装置进行分组投切，但是投切的次数如果过于频繁的话会缩短电容的寿命，太少又会造成无功过补或者欠补，因此很难精确控制。
[0004] 因此，需要提供一种既能够实现电机无冲击启动又能够动态补偿无功功率的电机软启动装置及其控制方法。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种兼顾无功补偿的电机软启动装置及其控制方法，通过该装置和方法既能够实现电机无冲击启动又能够动态补偿无功功率。
[0006] 本发明提供一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，包括功率变换器、切换开关和主控制器，所述切换开关包括电网侧开关、电机侧开关和并网开关；所述功率变换器包括三相移相变压器、若干个整流模块和逆变模块、交流电抗器，三相移相变压器的原边绕组通过电网侧切换开关与电网相连，副边绕组分为N组绕组；整流模块的输入侧与同级的三相移相变压器副边绕组相连，输出侧与逆变模块的输入侧相连，同相的逆变模块依次串联后构成换流链，与交流电抗器相连，交流电抗器经过电机侧开关后与电机定子相连，电机定子经过并网开关与电网相连；所述主控制器与安装在三相移相变压器原边的电网侧电压互感器和电流互感器相连，与安装在交流电抗器输出端的电机侧电流互感器和电压互感器相连，经过光纤与逆变模块相连。
[0007] 所述三相移相变压器的原边绕组为高压侧，副边绕组为低压侧且分为多组副边绕组，每组副边绕组输出电压幅值相等，相位依次相差一个移相角。
[0008] 所述移相角为60°/N，N为三相移相变压器副边绕组的组数。
[0009] 所述整流模块包括二极管构成的三相整流电路，用于将交流电压转化为直流电压。
[0010] 所述逆变模块包括连接接触器、直流支撑电容、H桥逆变电路和模块控制器，逆变模块通过连接接触器与整流模块连接，直流支撑电容用于稳定直流电压，其两端为逆变模块的输入侧，H桥逆变电路的输出为逆变模块的输出侧，模块控制器与连接接触器、直流支撑电容和H桥逆变电路相连，和主控制器通过光纤相连，用于接收主控制器的指令控制逆变模块工作，同时反馈逆变模块的状态信息；所述H桥逆变电路用于将直流电压转化为交流电压。
[0011] 所述逆变模块中H桥逆变电路由IGBT或者IGCT等全控型电力电子器件构成。
[0012] 所述功率变换器中的交流电抗器用于吸收装置输出电压中的高次成分，在电机投入电网时限制控制误差可能造成的环流，补偿无功时隔离电网电压和换流链的输出电压。
[0013] 所述切换开关根据主控制器的指令动作，在启动电机时功率变换器与电机串联，在补偿无功时功率变换器与电机并联。
[0014] 本发明还提供了一种基于上述装置的兼顾无功补偿的电机软启动控制方法，具体包括以下步骤：
[0015] (1)先闭合连接三相移相变压器原边与电网的电网侧开关，再闭合连接电抗器和电机定子侧的电机侧开关，此时直流支撑电容两端建立起直流电压，且功率变换器和电机之间成为串联关系；
[0016] (2)主控制器按照设定的加速曲线成比例的升高输出电压的频率和幅值，电机在输出电压的作用下从静止开始逐渐加速；
[0017] (3)输出电压的频率上升至工频、幅值上升至电机额定电压值时，主控制器采集电压互感器测量的电网电压信号，对电网电压进行锁相，得到电网电压的相位；
[0018] (4)主控制器根据电网电压的锁相结果，以电网电压为参考，调节输出电压的幅值和相位，将电机输入电压控制到和电网电压完全一致，也就是频率、幅值和相位均与电网电压重合，此时同步成功；
[0019] (5)同步成功后稳定运行一段时间，主控制器发出电机并网指令，闭合该电机与电网连接处的并网开关，该电机投入电网，断开交流电抗器与该电机连接处的电机侧开关，此后该电机由电网馈电，软启动完成；然后判断系统中是否有其他待启动的电机，是则依次重复步骤(1)至(5)，直至所有待启动电机均完成软启动，然后进入步骤(6)，否则直接进入步骤(6)；
[0020] (6)主控制器发出指令，断开电网侧开关，断开每一个逆变模块内的连接接触器，功率变换器蜕变为同相的逆变模块和交流电抗器串联，闭合电机侧开关，将装置再次投入电网，此时功率变换器与电机成为并联关系；
[0021] (7)主控制器根据电压互感器和电流互感器测量电机定子侧的电压和电流信号计算待补偿的无功功率，控制功率变换器输出等量的无功功率，实现无功补偿。
[0022] 所述步骤(2)中设定的加速曲线表示如下：
[0023]
[0024] 其中u为装置输出电压，f为输出电压的频率，fN为电机额定频率，UN为电机额定电压，U0为转矩提升电压，为0.01～0.05倍的电机额定电压，选择的U0不同则得到的加速曲线不同，当U0＝0时，可以得到较常用的加速曲线：
[0025]
[0026] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0027] 1、本发明通过主控制器对输出电压进行控制，可在电机启动过程中始终控制电机电流在额定值附近，大大降低了电机启动对电网的影响和电机本身的损伤，实现电机的无冲击启动。
[0028] 2、本发明中主控制器可以根据电机的工况动态补偿无功功率，提高了电网功率因数，避免无功流动引起的电能浪费。
[0029] 3、本发明可以在短时间内连续启动多台电机，并且能在电机启动和无功补偿两个功能之间快速切换，提高了设备利用率。
附图说明
[0030] 图1为本发明装置启动一台电机的电气接线图；
[0031] 图2为本发明装置中功率变换器的拓扑结构图；
[0032] 图3为本发明装置中整流模块和逆变模块的拓扑结构图；
[0033] 图4(a)-(b)为本发明装置在启动电机时输出电压幅值和频率的上升过程图；
[0034] 图5(a)为本发明装置在启动电机时的电网电压；
[0035] 图5(b1)-(b4)为本发明装置在启动电机时输出电压追踪电网电压的过程图；
[0036] 图6为本发明装置启动三台电机的电气接线图。
[0037] 图1～3中：1-功率变换器；2-主控制器；3-三相移相变压器；4-整流模块；5-逆变模块；6-交流电抗器；7-电网侧开关；8-电机侧开关；9-并网开关；10-连接接触器；11-直流支撑电容；12-H桥逆变电路；13-模块控制器；14-光纤；15-电网侧电压互感器；
16-电网侧电流互感器；17-电机侧电压互感器；18-电机侧电流互感器。
具体实施方式
[0038] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0039] 实施例1
[0040] 图1至图3所示为针对启动一台电机并进行无功补偿的方案，一种兼顾无功补偿的电机软启动装置，包括功率变换器1、切换开关和主控制器2，所述切换开关包括电网侧开关7、电机侧开关8和并网开关9；所述功率变换器1包括三相移相变压器3、若干个整流模块4和逆变模块5、交流电抗器6，三相移相变压器3的原边绕组通过电网侧切换开关与电网相连，副边绕组分为N组绕组；整流模块4的输入侧与同级的三相移相变压器副边绕组相连，输出侧与逆变模块5的输入侧相连，同相的逆变模块5依次串联后构成换流链，与交流电抗器6相连，交流电抗器6经过电机侧开关8后与电机定子相连，电机定子经过并网开关9与电网相连；所述主控制器2与安装在三相移相变压器3原边的电网侧电压互感器15和电网侧电流互感器16相连，与安装在交流电抗器6输出端的电机侧电流互感器18和电机侧电压互感器17相连，经过光纤14与逆变模块5相连。
[0041] 所述三相移相变压器3的原边绕组为高压侧，副边绕组为低压侧且分为多组副边绕组，每组副边绕组输出电压幅值相等，相位依次相差一个移相角。
[0042] 所述移相角为60°/N，N为三相移相变压器3副边绕组的组数。
[0043] 所述整流模块4包括二极管构成的三相整流电路，用于将交流电压转化为直流电压。
[0044] 如图3所示，所述逆变模块5包括连接接触器10、直流支撑电容11、H桥逆变电路12和模块控制器13，逆变模块5通过连接接触器10与整流模块4连接，直流支撑电容11用于稳定直流电压，其两端为逆变模块5的输入侧，H桥逆变电路12的输出为逆变模块5的输出侧，模块控制器13与连接接触器10、直流支撑电容11和H桥逆变电路12相连，和主控制器2通过光纤14相连，用于接收主控制器2的指令控制逆变模块5工作，同时反馈逆变模块5的状态信息；所述H桥逆变电路12用于将直流电压转化为交流电压。
[0045] 所述逆变模块5中H桥逆变电路12由IGBT构成。
[0046] 所述功率变换器1中的交流电抗器6用于吸收装置输出电压中的高次成分，在电机投入电网时限制控制误差可能造成的环流，补偿无功时隔离电网电压和换流链的输出电压。
[0047] 所述切换开关根据主控制器2的指令动作，在启动电机时功率变换器1与电机串联，在补偿无功时功率变换器1与电机并联。
[0048] 本发明还提供了一种基于上述装置的兼顾无功补偿的电机软启动控制方法，具体包括以下步骤：
[0049] (1)先闭合连接三相移相变压器3原边与电网的电网侧开关7，再闭合连接电抗器和电机定子侧的电机侧开关8，此时直流支撑电容11两端建立起直流电压，且功率变换器1和电机之间成为串联关系；
[0050] (2)主控制器2按照设定的加速曲线成比例的升高输出电压的频率和幅值，电机在输出电压的作用下从静止开始逐渐加速；电压幅值和频率变化过程如图4所示，图4(a)中，按照加速曲线1所示，输出电压的幅值和频率都从零开始上升，维持恒定的幅值/频率比例，如果电机惯性较大或带载启动，在低频阶段增大电压，按照加速曲线2所示的轨迹上升；图4(b)中t1、t2和t3表示了三种不同的加速时间；
[0051] (3)输出电压的频率上升至工频、幅值上升至电机额定电压值时，主控制器2采集电压互感器测量的电网电压信号，对电网电压进行锁相，得到电网电压的相位；
[0052] (4)主控制器2根据电网电压的锁相结果，以电网电压为参考，调节输出电压的幅值和相位，将电机输入电压控制到和电网电压完全一致，电压同步的过程如图5所示，在电机加速完成以后，输出电压的相位和电网电压的相位之间的相位差是随机的，图5(b1)的波形来表示电机加速完成以后装置的输出电压，图5(a)表示电网电压，在主控制器2的调整下，电压波形经过从图5(b1)到图5(b4)的变化，图5(b4)和图5(a)完全一致，也就是输出电压的频率、幅值和相位均与电网电压重合，此时同步成功；
[0053] (5)同步成功后稳定运行一段时间，主控制器2发出电机并网指令，闭合该电机与电网连接处的并网开关9，该电机投入电网，断开交流电抗器6与该电机连接处的电机侧开关8，此后该电机由电网馈电，软启动完成；
[0054] (6)主控制器2发出指令，断开电网侧开关7，断开每一个逆变模块5内的连接接触器10，功率变换部分蜕变为同相的逆变模块5和交流电抗器6串联，闭合电机侧开关8，将装置再次投入电网，此时功率变换器1与电机成为并联关系；
[0055] (7)主控制器2根据电压互感器和电流互感器测量电机定子侧的电压和电流信号计算待补偿的无功功率，控制功率变换器1输出等量的无功功率，实现无功补偿。
[0056] 所述步骤(2)中设定的加速曲线2公式表示如下：
[0057]
[0058] 其中u为装置输出电压，f为输出电压的频率，fN为电机额定频率，UN为电机额定电压，U0为转矩提升电压，为0.01倍的电机额定电压，当U0＝0时，可以得到较常用的加速曲线，即加速曲线1，公式如下：
[0059]
[0060] 实施例2
[0061] 除下述特征外其他结构和实施方法同实施例1：如图6所示，是一台软启动装置分别启动三台电机M1、M2和M3，并进行无功补偿的技术方案。软启动装置通过电网侧开关KN1和KN2与电网相连，通过电机侧开关KM1、KM2和KM3和待启动的电机相连，电机分别通过并网开关K1、K2和K3与电网相连。
[0062] 假设第一台待启动的电机为M1，启动M1的控制方法和实施例1中启动一台电机的完全一致，也就是控制方法中的步骤(1)至步骤(5)。即电机符合并网条件以后，主控制器2发出切换指令，先闭合K1，再断开KM1，则电机M1投入电网，M1的启动过程完成，输出电压变为零。然后判断系统中是否有其他待启动的电机，发现还有电机M2和M3需要启动，所以重复实施例中方法步骤(1)至步骤(5)，即闭合KM2，断开K2，电机M2和功率变换器1串联，重复启动电机M1的过程，将电机M2投入电网，闭合K2，断开KM2，M2的启动过程完成，输出电压变为零；重复启动电机M2的过程，将M3投入电网，闭合K3，断开KM3，M3的启动过程完成，输出电压变为零。
[0063] 按照上述的控制方法，依次将三台电机完成加速和并网后，电机由电网供电，进入工频运行状态。装置进入无功补偿的工作模式，断开每一个整流模块4和逆变模块5之间的连接接触器K，断开网侧开关KN1，闭合网侧开关KN2，功率变换器1经过切换开关KN2后接入电网，与三台负载电机形成并联的关系，一起挂在高压母线上。安装在电机定子侧两侧的电压互感器和电流互感器测量电机定子侧的电压和电流信号，测量结果送入主控制器2，在主控制器2内计算所有电机负载从电网吸收的无功功率之和，装置输出等量的无功功率，从而提高了电机与电网连接处的功率因数。
[0064] 本实施例中逆变模块5中H桥逆变电路12由IGCT构成。
[0065] 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
