三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器

《三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器》是劉群和劉耀和於2008年6月22日申請的發明專利，該專利的申請號為2008101290773，公布號為CN101404472，公布日為2009年4月8日，發明人是劉群。

《三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器》涉及中、低、高壓交流電動機的無衝擊起動控制。它採用直流側短路工作的晶閘管三相全控整流橋作交流調壓器，將電機定子繞組接入整流橋交流迴路中、通過相控可對中低壓（220－380－660伏）電機實現“一拖N”軟起動；將隔離變壓器低壓線圈接入整流橋交流迴路中、電機定子與高壓線圈串聯、通過相控可對高壓（3－6－10千伏）電機實現“一拖N”軟起動。設定多組低壓線圈並採用多套整流橋可組成高壓“多重化”軟起動器、從而解決大功率機電傳動系統的可控啟動問題。

2014年11月6日，《三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器
• 公布號：CN101404472
• 公布日：2009年4月8日
• 申請號：2008101290773
• 申請日：2008年6月22日
• 申請人：劉群、劉耀和
• 地址：湖北省武漢市洪山區獅子山街湖北工業大學南區25棟一門401（或湖北工業大學離退休工作處）
• 發明人：劉群
• 分類號：H02P1/28（2006.01）I；H02P1/54（2006.01）I；H02P1/32（2006.01）I
• 類別：發明專利

專利背景

交流鼠籠型感應電動機結構簡單、堅固耐用、電能轉換效率高、維修方便、套用量大面廣，但由於起動電流達5-7倍額定電流，造成對負載的衝擊、電網電壓的下降和電能的附加損耗，還影響其它電力用戶正常運行。20世紀80年代晶閘管（SCR）固態軟起動器問世以來，較滿意的解決了交流電動機存在的起動問題。但由於現有的固態軟起動器產品（包括中國國內外）均毫無例外地採用晶閘管（SCR）三相反並聯交流調壓電路、其“擴容”非常困難，所以這一代固態軟起動器主要限於套用在中低壓（220伏-380伏-660伏）交流電動機。

將近卅多年的時間，晶閘管固態軟起動器主電路結構一直被三相反並聯交流調壓電路（JL）所獨占，這使人們產生了一種錯覺：似乎採用三相反並聯交流調壓電路（JL）組成軟起動器是天經地義而無可非議的。發明人在1991年第一期《湖北工學院學報》中發表了一篇題為“相控整流電路通用公式的推導”論文，該文討論了電網自然換流電路共同工作原理、數量關係、波形特點和各類相控電路的相互演變規律，在該文P59頁圖2（21-24）中作者揭示了晶閘管三相反並聯交流調壓電路和晶閘管三相全控橋式整流電路相互演變的規律，並指出了三相橋式可控整流電路演變成為三相反並聯交流調壓電路的過程。這說明採用三相全控橋式可控整流電路也可組成交流調壓電路，即也可組成電機軟起動器。

由於歷史原因，中國大容量異步電機的定子供電電壓技術標準定得過高：凡功率大於450千瓦電機，早期定為3千伏，後來定為6千伏，最近幾年又定為10千伏。這樣做的主要原因，也是為了減小起動電流。因為高壓大功率電動機直接起動造成的惡果及影響比中低壓電機更為嚴重，如中國傳統產業中的風機、水泵（包括壓縮機、輸油泵和輸氣泵等）拖動系統中的高壓異步電動機的“停機”操作常被受到“限制”、以免電機再起動時導致電網電壓下降影響其它工藝設備正常運行，因而常常引起系統“放空回流”運行、白白浪費電能。

2008年6月前用於解決高壓大容量電機起動問題的主要方法是線上繞型異步電動機轉子側串電阻、頻敏電阻、液態變阻器等或在鼠籠型異步電機定子上串電感、磁控飽和電抗器（耗鐵耗銅），也有在反並聯電路上採用單個晶閘管器件的串並聯組成高壓固態軟起動器的方法、但工藝技術複雜，成本高、其價格是液態起動器的5～10倍，所以該法普遍受到產業界的冷落；而液態起動器由於受溫度影響、多次重複起動特性差、結構又過於複雜、運輸安裝不方便…，有人予言它即將淘汰。所以中國國內外市場上截至2008年6月尚無定型高壓軟起動器產品問世。

2005年第3期《電力電子技術》雜誌刊登的“基於限流變壓器的高壓異步電機軟起動控制器”一文，介紹了在飽和電抗器低壓勵磁線圈中採用晶閘管（SCR）反並聯交流調壓電路、而將電機高壓定子繞組與限流變壓器高壓線圈串聯組成高壓軟起動器的方法。該法巧妙地解決了低壓電力半導體器件用於高壓軟起動器的耐壓問題，實際上這是固態器件和電磁器件在高壓大功率軟起動器上的綜合套用。但由於交流調壓仍沿用晶閘管反並聯電路，擴容仍受晶閘管“多並多串”和反並聯電路固有拓撲電路缺點的限制。

為滿足高壓電機拖動的生產工藝設備“起-停”操作要求，最佳化高壓大電機的起動過程控制，開發成本低廉、價格適中的大功率機電傳動系統可控啟動設備事在必行。

發明內容

專利目的

圖1是採用晶閘管反並聯交流調壓電路（以下用JL表示）組成的中低壓電機軟起動器“一拖1”單線主電路圖。圖中3～/A-B-C—三相交流電源；K—配電電器；JL—反並聯交流調壓器；KM—旁路開關；M—是丫/△聯結中低壓交流電機，a、b、c—電動機定子繞組引線；CF—觸發器；U_k-移相調控系統。該軟起動器的連線順序是：交流電源→配電電器→調壓器→電動機，交流電源在前、電機在後、調壓器居中。旁路開關與調壓器並聯。它存在下列缺點：

1、調壓諧波易侵入電網：調壓器與交流電網直接連線、使調壓器這一諧波源與交流電網靠近，因而晶閘管的di/dt和du/dt產生的噪擾可以在電網中傳播；

2、起動完畢調壓器未隔離：該電路利用旁路開關在電機起動完畢後使調壓器“斷流退出”並給電機施加全壓。將調壓器旁路最好的方式是使調壓器與電機和電網形成電氣“隔離”。在此須注意：該圖中的調壓器在旁路開關閉合後雖已斷流並仃止工作，但它仍然連線在電路中、並未與電機和電網形成電氣“隔離”。調壓器與電網形成“死”連線會受到電路瞬時過電壓的襲擊；調壓器與電機形成“死”連線對實施“一拖N”會帶來麻煩。

3、“一拖N”使用開關太多：圖2是採用晶閘管反並聯交流調壓器組成的中低壓軟起動器“一拖3”單線主電路圖。“一拖N”方案的實施意味著共用一套調壓器分時起動多台（N台）電機，它是軟起動器一種典型運行方式，也是軟起動產品應具有的一項基本技術性能。在N＝1、即圖1中，該軟起動電路僅用了2個開關；而在N＝3、即圖2中，該軟起動電路卻用了10個開關：其中K1、K2、K3—電機定子迴路的斷路開關；KM1、KM2、KM3—實施“一拖3”起動方案必須配備的旁路開關；1K—調壓電路專用斷路開關；2K、3K、4K—調壓器與電機形成電氣“隔離”的電磁開關。即在採用同一套調壓電路的前堤下為實施“一拖N”、每增加一台電機則需增加3台開關。開關的增加意味軟起動器整機結構複雜、接線煩鎖，實際套用時給用戶造成了困難、還增加了軟起動器成本。

4、反並聯拓撲結構自身缺點難以克服：圖3是三相三線（無中線）反並聯交流調壓電路拓撲結構圖（以下用JL表示）。圖中3～/A-B-C、JL、CF、U_k與圖1相同，而n—電源側公共點；R′—三相交流負載；n’—負載側中性點。這就是現有軟起動器的主電路原理圖。通過下面的簡單分析可知，反並聯電路存在下列不足：

①六個晶閘管形成三個單相兩兩反並聯的拓撲結構，晶閘管的“換流”是分別在同一相“反並聯對”兩個晶閘管（1-4、3-6、2-5）中進行的，“換流”時電流要改換方向，實現安全換流較困難；

②工作時會在負載上施加相當複雜的缺角正弦電壓波形，即使電路的電感很小、也會產生相當高的反電勢，會引起交流電源波形發生畸變並產生高頻電磁輻射；

③電路在移相調控過程中三相工作不一定對稱、有可能出現三相不平衡導電情況，負載中雖不存在3次諧波電流、但除含有5、7、11、13…次諧波外，還含有3倍次諧波，諧波含量高；

④該電路各相晶閘管兩兩反並聯，導致晶閘管元件耐壓低，輸出電流小，致使三相大功率交流調壓模組難以製造，這也是現有固態軟起動器僅限於套用在中低壓（220伏-380伏-660伏）交流電動機的主要原因。

《三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器》的目的在於尋找一種能克服上述缺點的、套用成熟而移相調控又兼容的相控變流器作交流調壓器以兼用於組成中低壓電機和高壓電機兩種軟起動產品。

縱觀電力電子學的發展歷程可知：晶閘管三相全控橋式整流電路（以下用ZL表示）是半導體變流技術中一種最基本的電能變換電路，它曾為電力電子學的發展立下了汗馬功勞。在經典傳統套用電路中它主要用於實現交/直（AC/DC）可控整流或交/交（AC/AC）周波電能變換。圖4是晶閘管三相全控橋式整流電路的拓撲結構圖（以下用ZL表示），圖中A-B-C—交流電源；1、2、3、4、5、6—全控橋電路的六個晶閘管；A1、B1、C1—整流橋交流側輸入端；P、N—整流橋直流側輸出端；R—直流負載；CF—觸發器；U_k--移相調控系統。它與圖3電路一樣、也由六個晶閘管組成，移相調控程式兼容。同樣由六個SCR組成、但由於橋電路具有明顯不同的拓撲結構，其工作機理及其電能變換模式顯示出很多獨有特色：

1、橋電路中六個晶閘管的“換流”分別在共陰極組三個（1→3→5）或共陽極組三個（4→6→2）晶閘管中進行，“換流”時電流不反向，換流安全、簡單、可靠；

2、三相橋電路是相控整流最早獲得工業套用的一種電路，控制技術成熟；

3、橋電路在移相調控過程中運行平穩、三相線電流對稱、均衡；線電流波形含諧波成份少：它不但無偶次和三次諧波、就是3×50赫茲＝150赫茲的所有奇數倍諧波也均消失了，只含有5、7、11、13…次諧波。所以交流電網中諧波含量也是最低的、對電網的影響也較小。、

4、橋電路動態特性優良、相控“死區”時間短（3.3毫秒）、對移相調控信號U_k反應快；

5、橋電路的拓撲結構特點決定：在橋電路三個交流輸入端中、同相上下橋臂（如1-4、3-6、5-2）是串聯的、故電路耐壓高，而在直流輸出端的共陰極組三個橋臂（1、3、5）和共陽極組三個橋臂（4、6、2）又分別並聯，所以輸出電流大。

6、更重要的是在現代電力電子設備中三相橋電路已成為一種最基本的“功率變換單元”。作為“電路單元”使用時，在需要擴容時、無需對每個SCR器件進行串並連線、只需在交流側套用多相交流電源、而在直流側套用多套橋電路的串級和並級聯結就可組成大功率變流器。在大功率整流電路中該“擴容”技術被稱為“多重化”聯結技術。

技術方案

用三相全控整流橋作交流調壓器時，保留原有移相調控系統不變、將其直流側短接、然後將中低壓電機定子三相繞組分別接入交流側三相交流迴路中、以便組成中低壓電機軟起動器；採用三相高壓隔離變壓器、將其低壓側的三相低壓線圈接入直流側短接的三相整流橋交流迴路中，然後將高壓電機的三相定子繞組與隔離變壓器高壓側的三相高壓線圈串聯即可組成“單重化”高壓電機軟起動器；在隔離變壓器的低壓側設定多組電壓相位差為60°/W的三相低壓線圈（W為低壓線圈組數）、採用多套整流橋並將各組三相低壓線圈接入各自的三相整流橋交流迴路中、然後將各套整流橋的直流側順極性串聯短接並由同一控制信號U_k進行移相調控，最後將高壓電機的三相定子繞組與隔離變壓器高壓側的三相高壓線圈串聯即可組成“多重化”大功率高壓電機軟起動器。

上述技術方案說明：採用整流橋可以組成交流調壓器，也可組成中低壓電機（220-380-660伏電機）軟起動器和高壓電機（3-6-10千伏電機）軟起動器。

圖5是採用直流側短接的整流橋作交流調壓器組成的中低壓電機軟起動器（以下簡稱該發明軟起動器）“一拖1”三相電氣原理圖。圖中3～/A-B-C、ZL、CF、U_k、A1、B1、C1和P、N與圖4相同，M—中低壓鼠籠型異步電動機（其中a、b、c是電機定子繞組首端引線，a’、b’、c’是末端引線）。該軟起動電路是按交流電源→電機→調壓電路次序連線的，交流電源在前、電機居中、調壓電路在後。將圖5與圖1比較後可知：其調壓電路位置與電機位置進行了互換，即晶閘管交流調壓電路連線在交流電源與電機之後，這使調壓電路這一諧波源遠離電網且諧波侵入電網又受到電機定子電感線圈的抑制，可以減小調壓電路晶閘管的di/dt和du/dt產生的噪擾在電網中的傳播；另外，電機和調壓器是直接相連的、對電機可實現0～220伏的軟起動或輕載節能降壓調節。

圖6和圖7是該發明中低壓電機軟起動器帶全壓開關“一拖1”單線和三相一電氣原理圖。圖中3～/A-B-C、M、ZL、CF、U_k、A1、B1、C1和P、N與圖5相同，廣KM—全壓開關；。該電路中的全壓開關具有三對“工作”常開主接點和三對“備用”常開主接點並具有公共點U、V、W，全壓開關連線在電機和調壓電路之間，其接線特徵是：三對“工作”常開主接點串聯與整流橋交流輸入端連線，而三對“備用”常開主接點跨接在電機未端（Y接電機）或跨接在電機首端（△接電機）。請參閱圖13。全壓開關的“通-斷”“要求是：在電機起動時三對“備用”常開主接點先斷開、三對“工作”常開主接點後閉合，起動完畢後三對“工作”常開主接點先斷開、三對“備用”常開主接接點後閉合。

圖8是該發明中低壓電機“一拖3”軟起動器單線電氣原理圖，需在電機與調壓電路之間接入N台全壓開關（KM₁～KM_n），全壓開關連線的特點是：將第1～N台電機（M₁～Mn）所屬全壓開關（KM₁～KMn）各公共點（U₁、V₁、W₁～U_n、V_n、W_n）分別接在與所屬電機定子繞組末端（an′、bn′、cn′）連線，各“備用”常開主接點引線按“全壓”運行時Y型聯結或△型聯結要求連線，各“工作”常開主接點引線則全部連線在同一套調壓器交流側輸入端A1、B1、C1上。該電路的最大特點是在分時起動完三台電機後，能將調壓器旁路並能使它與電機和電網形成電氣“隔離”。

採用直流側短接的整流橋作交流調壓器組成的中低壓電機軟起動器也存在缺點：它適用於～220伏Y聯結電機，對於～380伏電機在軟起動完畢後必須按圖7連線再進行一次Y→△轉換，而後者的轉換具有短時電流衝擊，有待進一步改進。

按上述技術方案，在組成“單重化”高壓電機軟起動器時要將交流調壓器交流側的三相負載由電機定子繞組改換為高壓隔離變壓器的三相低壓線圈。

圖9是“單重化”高壓電機“一拖1”軟起動器三相主電路圖。圖中3～/A’-B’-C’—三相交流高壓電源；K’—高壓配電斷路器；wLo-具有一組三相低壓線圈和一組三相高壓線圈的高壓隔離變壓器，其中a₁、b₁、c₁和a_1’、b_1’、c_1’分別是三相低壓線圈首端和末端，a₂、b₂、c₂和a_2’、b_2’、c_2’分別是三相高壓線圈的首端和末端；M’—Y/△聯結的三相高壓異步電動機，a、b、c是定子繞組引線；KM’—高壓旁路開關；ZL、U_k—與中低壓電機軟起動器一樣的交流調壓器及移相調控系統。該起動電路可用於功率為數百kw的高壓電機。

“單重化”高壓電機固態軟起動器由高壓迴路和低壓迴路組成，低壓迴路包括隔離變壓器的低壓線圈和整流橋；高壓迴路包括高壓交流電源、高壓斷路器、高壓旁路開關、隔離變壓器的高壓線圈和電機定子繞組。

“單重化”高壓電機軟起動器主電路電氣連線特徵是：低壓迴路中的三相低壓線圈的首瑞a₂、b₂、c₂連線在一起形成公共點n，而其末端a_2’、b_2’、c_2’分別與調壓器輸入端A₁、B₁、C₁連線；高壓迴路按下列順序串聯：交流高壓電源→高壓斷路器→隔離變壓器高壓線圈→高壓交流電機。高壓電源和斷路器在前、高壓線圈居中、電機在後，旁路開關主接點與高壓線圈並聯。

“單重化”高壓電機固態軟起動器的工作原理和工作過程如下：通過交流調壓器的移相控制改變隔離變壓器低壓線圈中的電流、從而改變高壓迴路中高壓線圈阻抗，調控與高壓線圈串聯的電機定子繞組中的電壓，使高壓電機獲得軟起動特性。在移相調控信號U_k＝0的情況下，調壓器中的晶閘管阻斷；合上斷路器K’後，變壓器低壓線圈相當於開路，高壓線圈僅流過空載勵磁電流，這時交流電源電壓絕大部份降落在隔離變壓器的高壓線圈上；在恆流起動模式PID軟體程式控制下、U_k增大，電機起動且電壓逐步從高壓線圈轉移到電機繞組上，電機逐步升壓，轉速漸漸提高；當到達電機全速（電機額定轉速）或全壓（～220伏或380伏）時旁路開關KM’自動閉合、同時移相調控信號U_k回復到零、隔離變壓器wLo及交流調壓器ZL均退出工作並準備第二次啟動。

對於需要實現“一拖N”起動方案而又長期處於空載或輕載工作的高壓電機，應先將電機Y聯結中性點或△連線線解開、使電機呈現出六個引線（包括定子繞組三個首端a-b-c引線和三個末端a’-b’-c’引線），然後在圖9基礎上按圖10進行接線—即保留低壓迴路連線不變、而將高壓迴路各組成部份的串聯順序改變為：交流高壓電源→高壓斷路器→高壓交流電機→全壓開關→隔離變壓器高壓線圈。高壓電源和斷路器在前、電機居中、高壓線圈在後並接成Y型。全壓開關主接點接線與圖7相同。

圖11是“單重化”高壓電機固態軟起動器輕載“一拖1”單線主電路圖，該起動電路既不用旁路開關也不用全壓開關，可對電機進行輕載降壓節能控制、即功率因數控制。

圖12是“單重化”高壓電機“一拖3”軟起動器單線電路圖。在電機和隔離變壓器之間必需接入三台全壓開關、其接線可仿圖8進行，每台接線相同：公共點U、V、W接於各電機末端；三對“工作”常開主接點均連線在高壓線圈首端上；而三對“備用”常開主接點可垮接在電機末端將電機接成Y型或垮接在電機首端將電機接成△型，如圖13所示。

按上述技術方案，在組成“多重化”大功率高壓電機軟起動器時要在隔離變壓器的低壓側設定電壓相位差為60°/m的多組（m組）三相交流低壓線圈、採用多套（n套）整流橋、各整流橋直流側順極性串聯短接並啟用同一控制信號U_k進行移相調控，仿照大功率整流電路的組成原理將多組三相低壓線圈與多套整流橋進行“多重（w重）化”聯接。其中w＝m＝n。

圖14和圖15是“二重化”大功率高壓電機軟起動器單線和三相主電路圖。圖中3～/A’-B’-C’、K’、M’、KM’、U_k與圖9相同。wLo—具有兩組三相低壓線圈（I組和II組）的隔離變壓器；ZL₁、CF₁—第一套整流橋及觸發器；ZL₂、CF₁—第二套整流橋及觸發器。該電路可用於功率為數千kw高壓電機。

“二重化”高壓電機軟起動器主電路連線的特徵是：第I組三相低壓線圈接成Y聯結並接入第一套交流調壓器交流側輸入端；第II組三相低壓線圈接成△聯結並接入第二套交流調壓器交流側輸入端；兩套交流調壓器直流側輸出端順極性短接串聯並使用同一移相調控信號U_k。

當高壓電機功率達數萬kw時、為了減小對電網的干擾、尤其是減小整流高次諧波對電網的影響，應當採用“三重化”、“四重化”…的聯結進行擴容。圖16是“多重化”大功率高壓電機軟起動器示意圖。設隔離變壓器具有m組三相低壓線圈，則需採用n套交流調壓器、且n＝m，則可組成w重軟起動器、且w＝m＝n。若巳知多重化的“重數”為w、則多組低壓線圈電壓應形成的相位差為60°/w、必在高壓線圈中合成脈波數為360°×w/60°的電流，三者關係如下：

“多重化”重數—	多相電壓相位差—	高壓線圈電流脈波數
W	60°/w	360°×w/60°
1	60°	6
2	30°	12
3	20°	18
4	15°	24

圖17同時繪出了基於直流側短路整流橋作交流調壓器的中低壓電機軟起動器和“多重化”大功率高壓電機軟起動器單線電路圖。兩者的不同點是：在中低壓軟起動器中，作為調壓器交流負載的是電機定子三相繞組，而在高壓軟起動器中，作為調壓器交流負載的是隔離變壓器的三相低壓線圈；在中低壓電機軟起動器中一套整流橋控制一台電機，而在高壓電機軟起動器中一台電機由多套整流橋控制。

該發明專利中低壓電機和“多重化”大功率高壓電機軟起動器中共有的交流調壓器與現有中低壓電機軟起動器中交流調壓器的主要區別是：

交流調壓器的主要區別	現有軟起動器產品	該發明軟起動器產品
調壓電路拓撲結構	三相反並聯交流調壓電路（JL）	三相全控橋式整流電路（ZL）
調壓電路接入位置	接於交流電源與電機之間	接於交流電源與電機之後或通過變壓器隔離接入
實施“一拖N”情況	不太方便	方便
對電機及電網影響	大（電壓波形差/諧波多）	小（電流電壓波形諧波少）
組成大容量軟起動器和產品產業化可行性	困難	容易

附圖說明

圖1是現有中低壓“一拖1”軟起動器單線原理電路圖；

圖2是現有中低壓“一拖3”軟起動器單線原理電路圖；

圖3是晶閘管三相反並聯（負載丫聯結）交流調壓電路拓撲結構圖；

圖4是晶閘管三相全控橋式整流電路拓撲結構圖；

圖5是該發明組成的中低壓電機輕載降壓調節三相電氣原理圖；

圖6是該發明組成的中低壓“一拖1”軟起動器單線電氣原理圖（電機Y聯結）；

圖7是該發明組成的中低壓“一拖1”軟起動器三相電氣原理圖（電機△聯結）；

圖8是該發明組成的中低壓“一拖3”軟起動器單線電氣原理圖；

圖9是“單重化”大功率高壓軟起動器“一拖1”三相電路圖（帶旁路開關）；

圖10是“單重化”大功率高壓軟起動器“一拖1”三相電路圖（帶全壓開關）；

圖11是“單重化”大功率高壓電機輕載節電單線調壓電路圖；

圖12是“單重化”大功率高壓電機“一拖3”軟起動器單線電路圖；

圖13是全壓開關三對“備用”常開主接點Y-聯結和△聯結示意圖；

圖14是“二重化”大功率高壓電機軟起動器單線電路圖；

圖15是“二重化”大功率高壓電機軟起動器三相電路圖；

圖16是“多重化”大功率高壓電機軟起動器示意圖；

圖17是基於整流橋作交流調壓的高中低壓電機軟起動器；

圖18是交流調壓單元“黑盒”主要組成內部結構及引線圖；

圖19是高/低壓軟起動器標準化聯合生產實施過程展示圖；

圖20是“黑盒”直流調壓電阻性負載調試電路圖；

圖21是“黑盒”交流調壓電阻性負載調試電路圖。

技術領域

《三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器》涉及到一種採用晶閘管三相全控整流橋作交流調壓的可控啟動設備，用於控制和驅動交流電動機使其實現平穩軟起動，從而減小電流衝擊、降低機械傳動應力、延長機電設備壽命和抑制對電網影響。

權利要求

1、一種主要由普通晶閘管交流調壓電路、配電電器及全壓開關組成的中低壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵是晶閘管交流調壓電路是一套三相全控整流橋（ZL）、整流橋所屬的觸發器/阻-容吸收迴路/電流檢測感測器/三根交流母線/兩根直流母線/移相調控系統/電力半導體器件冷卻部件組裝在一個“黑盒”內，三相全壓開關兼具有三對“工作”常開主接點和三對“備用”常開主接點及其公共端（U、V、W），軟起動電路的主要組成部份按下列順序連線：交流電源→配電電器→交流電動機→全壓開關→交流調壓“黑盒、配電電器接於電機定子繞組首端（a、b、c）以前電路，全壓開關和調壓“黑盒”串聯結合組成的“後接固態軟起動器”接於電機定子繞組末端（a’、b’、c’）以後電路，實施“一拖N”方案時需接入N台全壓開關。

2、根據權利1所述中低壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵是調壓“黑盒”內的整流橋是一套直流側短接的三相全控整流橋（ZL）。

3、根據權利1或2所述中低壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵是直流側短接的三相全控整流橋是一隻包含觸發器在內的晶閘管智慧型控制整流模組（ZLM）

4、根據權利1所述中低壓“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵是在調壓“黑盒”內裝有一隻其檢測孔穿過整流橋直流側短接線的霍爾電流感測元件。

5、根據權利1所述中低壓“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於當N＝1時、在電機與“黑盒”之間接入一台全壓開關、全壓開關的公共點與電機定子繞組末端（a’、b’、c’）連線、三對“工作”常開主接點引線與“黑盒”三根交流母線引線連線、三對“備用”常開主接點引線連線在一起形成Y聯結電機軟起動電路或跨接在電機定子繞組相應首端（a、b、c）形成電機的Y→△聯結轉換起動電路，電機起動時全壓開關三對“備用”常開主接點先斷開、三對“工作”常開主接點後閉合、電機起動完畢後三對“工作”常開主接點先斷開、三對“備用”常開主接點後閉合。

6、根據權利1所述中低壓“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於當N＞1時、在電機與“黑盒”之間需接入N台全壓開關、N台全壓開關的各相應的公共點分別與相應電機定子繞組末端連線，各相應的三對“工作”常開主接點引線分別連線在同一套“黑盒”交流母線引線（A1，B1，C1）上，各相應三對“備用”常開主接點引線連線在一起形成N台Y聯結電機軟起動電路或跨接在電機定子繞組相應首端形成N台電機的Y→△聯結轉換起動電路。

7、根據權利1所述中低壓“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於“黑盒”的三根交流母線（A1，B1，C1）直接接入電機定子繞組末端（a’、b’、c’）時、可使現有直接起動的電動機實現“一拖1”軟起動和輕載降壓節能調節，“後接固態軟起動器”的三根引線（U、V、W）接入電機定子繞組末端時、可使現有直接起動的電動機實現“一拖N”軟起動。

8、一種主要由普通晶閘管交流調壓電路、高壓配電電器、高壓隔離變壓器、高壓全壓開關組成的“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵是：晶閘管交流調壓電路是一套三相全控整流橋（ZL）、整流橋所屬的觸發器/阻-容吸收迴路/電流檢測感測器/三根交流母線/兩根直流母線/移相調控系統/電力半導體器件冷卻部件都組裝在一個“黑盒”內、一台軟起動器配有n套“黑盒”，高壓隔離變壓器具有m組三相低壓線圈和一組三相高壓線圈、各相低壓線圈按形成電壓相位差為60°/w重化進行“多重化”聯結、其中w＝m＝n，調壓“黑盒”位於低壓迴路中、電機位於高壓迴路中，三相高壓全壓開關兼具有三對“工作”常開主接點和三對“備用”常開主接點及其公共點（U’、V’、W’）、電機起動時全壓開關三對“備用”常開主接點先斷開、三對“工作”常開主接點後閉合、電機起動完畢後三對“工作”常開主接點先斷開、三對“備用”常開主接點後閉合。

9、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於“黑盒”中整流橋是一套直流側短接的三相全控整流橋（ZL）。

10、根據權利8或9所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於直流側短接的三相全控整流橋是一隻包含觸發器在內的晶閘管智慧型控制整流模組（ZLM）。

11、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵是“黑盒”內裝有一隻其檢測孔穿過整流橋直流側短接線的霍爾電流感測元件。

12、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於：多套“黑盒”的直流母線是按順極性短接進行連線的、啟用一隻電流傳器器並由同一套移相調控系統（U_k）進行控制。

13、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於當w＝m＝n＝1時、隔離變壓器三相低壓線圈首端連線在一起形成低壓迴路中性點、其末端與“黑盒”的三相交流母線連線。

14、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於當w＝m＝n＝2時、隔離變壓器兩組三相低壓線圈分別連線成Y型和△聯結後再與相應二套“黑盒”的三相交流母線連線。

15、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於高壓迴路是按下列順序連線的：高壓交流電源→高壓配電電器→高壓交流電動機→高壓全壓開關→高壓隔離變壓器的高壓線圈、高壓線圈末端連線在一起、形成三相高壓迴路中性點。

16、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於當N＝1時、在電機與隔離變壓器之間接入一台全壓開關、全壓開關的公共點與電機定子繞組末端連線、三對“工作”常開主接點引線與高壓隔離變壓器高壓線圈首端連線、三對“備用”常開主接點引線連線在一起形成Y聯結軟起動電路或分別跨接在電機三相定子繞組首端形成Y→△聯結轉換起動電路，在電機與“黑盒”之間不接全壓開關、可實施“一拖1”軟起動和輕載降壓節能調節。

17、根據權利8所述“多重化”大功率高壓電機“一拖N”（N≥1）固態軟起動器，其特徵在於當N＞1時、在電機與隔離變壓器之間需接入N台全壓開關、N台三相全壓開關的各相應的公共點分別與相應高壓電機三相定子繞組末端連線、各台開關的三對“工作”常開主接點引線分別與三相高壓隔離變壓器高壓線圈首端連線、各相應的三對“備用”常開主接點引線連線在一起形成Y聯結軟起動電路或分別跨接在相應電機三相定子繞組首端形成Y→△聯結轉換起動電路。

18、一種主要由普通晶閘管交流調壓電路、高壓配電電器、高壓隔離變壓器、高壓旁路開關組成的“多重化”大功率高壓電機“一拖1”固態軟起動器，其特徵是：晶閘管交流調壓電路是一套三相全控整流橋（ZL）、整流橋所屬的觸發器/阻-容吸收迴路/電流檢測感測器/三根交流母線/兩根直流母線/移相調控系統/電力半導體器件冷卻部件都組裝在一個“黑盒”內、一台軟起動器配有n套調壓“黑盒”，高壓隔離變壓器具有m組三相低壓線圈和一組三相高壓線圈、各相低壓線圈按形成電壓相位差為60°/w重化進行“多重化”聯結、其中其中w＝m＝n，調壓“黑盒”位於低壓線圈中、電機位於高壓迴路中，高壓迴路是按下列順序連線的：高壓交流電源→高壓配電電器→高壓隔離變壓器的高壓線圈→高壓交流電動機，高壓旁路開關與高壓線圈並聯。

19、根據權利18所述“多重化”大功率高壓電機“一拖1”固態軟起動器，其特徵是：“黑盒”中的整流橋是一套直流側短接的三相全控整流橋（ZL）

20、根據權利19或18所述“多重化”大功率高壓電機“一拖1”固態軟起動器，其特徵是直流側短接三相全控整流橋是一隻包含觸發器在內的晶閘管智慧型控制整流模組（ZLM）。

21、根據權利18所述“多重化”大功率高壓電機“一拖1”固態軟起動器，其特徵是：“黑盒”內裝有一隻其檢測孔穿過整流橋直流側短接線的霍爾電流感測元件。

22、根據權利18所述“多重化”大功率高壓電機“一拖1”固態軟起動器，其特徵是：m套“黑盒”的直流母線是按順極性短接進行連線的、所有“黑盒”啟用一隻電流傳器並由同一套移相調控系統（U_k）進行控制。

23、根據權利18所述“多重化”大功率高壓電機“一拖1”固態軟起動器，其特徵在於當w＝m＝n＝1時、隔離變壓器三相低壓線圈首端連線在一起形成低壓迴路中性點、其末端與“黑盒”的三相交流母線連線。

24、根據權利18所述“多重化”大功率高壓電機“一拖1”固態軟起動器，其特徵在於當w＝m＝n＝2時、隔離變壓器兩組三相低壓線圈分別連線成Y型和△聯結後再與相應二套“黑盒”的三相交流母線連線。

25、根據權利1所述中低壓電機固態軟起動器，其特徵在於全壓開關是一種額定電壓為380伏和660伏的三極電子式雙電源切換開關。

26、根據權利10所述一種主要由普通晶閘管交流調壓電路、高壓配電電器、高壓隔離變壓器、高壓全壓開關組成的“多重化”大功率高壓電機“一拖N”固態軟起動器，其特徵在於高壓全壓開關是由兩台可自動進行“通-斷”操作的電磁式或電子式3-6-10千伏高壓真空開關或高壓斷路器組合而成。

實施方式

由於“直流側短路工作的晶閘管三相全控整流橋”交流調壓器及其移相調控軟體是該發明中低壓和高壓電機軟起動器產品的通用部份，所以應將交流調壓單元列為該產品開發的基礎部件進行實施。該發明所指“調壓單元”是指包括六個SCR元件、橋電路、觸發器、阻-容吸收電路、安裝在直流側短路線上的一隻霍爾電流感測器（短路線穿過感測器檢測孔）、三根交流母線、兩根直流母線、控制電路引線、開關電源及移相調控系統等的結合，它們組裝在一個具有風冷或水冷通道的密閉盒中（以下簡稱“黑盒”）。“黑盒”面上還裝有觸摸開關/事故信號/液晶顯示等。按所採用整流橋的不同種類、“黑盒”具有五種組成結構形式：

①由六個普通晶閘管元件、觸發器及移相調控系統組成；

②由三個“二單元”晶閘管模組、觸發器及移相調控系統組成；

③由二個“三單元”晶閘管模組、觸發器及移相調控系統組成；

④由一個“六單元”晶閘管模組、觸發器及移相調控系統組成；

⑤由一隻包含觸發器在內的晶閘管智慧型控制模組及移相調控系統組成。

組成“黑盒”的最好形式是⑤，因為它結構最簡、體積最小、重量最輕。

圖18是採用國產MJYS—QKZL型智慧型控制整流模組（以下用ZLM表示）組成的“黑盒”內部結構及引線圖。圖中A₁、B₁、C₁—“黑盒”的三根交流輸入母線；P-N—“黑盒”的二根直流母線；CF—包含在模組內的集成化數字觸發器；①～⑨—控制電路引線：其中①工作電源+12伏、②～③公共端、④直流移相控制信號U_k＝0～10伏（來自微處理器並按“垂直控制”原理產生觸發脈衝）、⑤+5v電源、⑥脈衝門（低電平“ov”開放/高電平“+5v”封鎖）、⑦4～20m信號、⑧模組過流保護信號、⑨模組過熱保護信號；lem—電流感測器。

採用“黑盒”組成“一拖1”中低壓電機軟起動器時僅需將電機三相定子繞組接入“黑盒”的三根交流母線（A₁、B₁、C_1）即可；採用“黑盒”組成“單重化”高壓電機軟起動器時僅需將“黑盒”的三根交流母線接入高壓隔離變壓器三相低壓線圈即可；採用“黑盒”組成“多重化”高壓電機軟起動器時需取“w”套“黑盒”並與相應隔離變壓器低壓線圈進行“多重化”聯結。上述“一拖1電路易於實現降壓調速和功率因數調節。

將圖6、7、8虛線框所示部份的“黑盒”與全壓開關組裝在一起並與電動機定子繞組的“末端”相接、可對電機進行軟起動。為了與現有軟起動器加以區別，特將這一結合命名為“後接軟起動器”。“後接”是指連線在電機的末端。“後接軟起動器”特別適用於傳統工業中直接起動的風機水泵進行節能改造，因為它可節省電機定子繞組首端前電路配電電器的投資（如斷路開關及相應交流接觸器等）；還可對輕載電機進行降壓調節並便於組成為功率因數控制器。

另外，在實施該發明過程中，應將“黑盒”/低壓軟起動器/高壓軟起動器三者通過建立一個統一的額定電壓技術標準，以便對其進行產業化開發與生產。“黑盒”的額定電壓根據國產智慧型控制模組額定電壓確定為450伏；低壓電機軟起動器的額定電壓根據量大面廣的中小型鼠籠型異步電動機額定電壓確定為～220伏/380伏；高壓隔離變壓器高/低壓側額定電壓根椐中國國內電力變壓器常用變比確定為3-6-10千伏/0.4千伏；高壓電機定子額定電壓根據中國國情確定為3-6-10千伏電壓。這樣“黑盒”→低壓軟起動器→高壓軟起動器三個產品的額定電壓就能相互匹配，即450伏的調壓模組與380伏電機相匹配，450伏調壓模組與0.4千伏低壓線圈相匹配，3-6-10千伏高壓電機與隔離變壓器高壓線圈額定電壓相匹配，從而可以建立“黑盒”→低壓軟起動器→高壓軟起動器三個產品的聯合生產線，對其進行產業化開發。

圖17展示了這種按統一技術標準進行標準化、系列化聯合生產高/低壓軟起動器產品的過程：450伏模組（部件）和移相調控軟體（部件）相結合→組成交流調壓單元（“黑盒”）→與380伏電機結合→組成低壓軟起動器（產品1）；交流調壓單元（“黑盒”）→與隔離變壓器低壓線圈（部件）結合→380伏低壓調壓器→與高壓線圈（部件）結合→最後組裝成3-6-10千伏高壓電機軟起動器（產品2）。

對“黑盒”調壓性能的測試是監控產品質量的關鍵環節，可在其輸入端引入三相四線制電源並在零線與交流側或直流側（P、N）之間接入～220伏白熾燈電阻性負載，即可通電調試硬體和軟體。圖20是“黑盒”直流調壓電阻性負載調試電路圖，圖21是“黑盒”交流調壓電阻性負載調試電路圖。

榮譽表彰

2014年11月6日，《三相整流橋組成的中低壓和高壓電機軟起動器》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

註：全文“現有”指“2008年6月前已有”。