本發明屬于電機的變頻調速和軟起動領域，特別涉及一種具有旁路功能的交流變頻軟起動器及其控制方法。

背景技術：

目前，異步電動機由于其結構簡單、運行可靠、價格低廉成為非常重要的機電能量轉換設備，占工業動力源的90％以上，但交流異步電機直接起動時電流達到額定電流5-8倍，而且難以獲得足夠的轉矩，對電機自身和電網有不利的影響，軟起動設備的研發成為解決問題的關鍵。

現在常用的電機軟起動設備是普通的調壓和限流軟起動，其電路結構如圖1所示，其主要是在電網與電機之間的每相串入反并聯的晶閘管組，通過觸發晶閘管斬波實現控制，目前的調壓、限流和離散變頻軟起動都以其為主回路。通過改變每相電壓的導通時間來實現降壓起動。這種軟起動只改變電壓的有效值而沒有改變電壓的頻率，其缺點為：其一，不變頻時，三相交流異步電動機起動轉矩正比于起動電壓的平方，當電壓降低時，轉矩以電壓降低倍數的平方降低；其二，不能改變定子磁場的轉速，起動時轉差過大；電機剛起動時，轉子轉速較低，三相晶閘管降壓起動的定子磁場是以同步轉速在轉動，相對于轉速很低的轉子，轉差很大，造成電機起動時反轉、抖動厲害。

為了彌補這些不足，學者們探索出了與圖1相同的基于三相反并聯晶閘主回路的交交變頻軟起動方法。離散變頻就是較早提出的一種，其原理是對三相工頻交流電源有選擇的導通和截止，從而形成頻率為50/n Hz的電壓(n＝1,2,3...)波形，但是運用中出現很大的諧波，致使電機轉矩脈動過大，甚至無法起動，帶載能力有限而且污染電網。近幾年提出的6邊形空間電壓矢量軟起動在離散變頻的原理基礎上融合了空間電壓矢量的原理，一定程度上解決了離散變頻軟起動的諧波問題，但由于其仍然使用半控的半導體器件而且依然基于離散變頻的原理，所以變頻級數有限且部分分頻磁場不對稱或斷續等問題限制了其發展前景。

綜合考慮上述各種軟起動器的原理與缺陷，應用于異步電機變頻調速領域的變頻軟起動器輸出電壓幅度、頻率連續可調，控制算法多樣化且都已發展成熟，若將其應用于電機軟起動中可以完美的解決上述軟起動器存在的問題，但從其結構和原理上考慮，存在著：不需要調速的工控場合中，電機起動完成后，變頻器難以旁路退出的問題，資源浪費，經濟性大打則扣，在軟起動應用上遭到大多企業棄用。

技術實現要素：

為解決現有技術存在的問題，本發明提供了一種具有旁路功能的交流變頻軟起動器，本發明可以一機多用，大幅度降低成本，在不影響原有逆變變頻控制算法運行效果的情況下，使其實現旁路，而且其優越的性能也完好地解決了異步電機起動問題，跨越了軟起動器與變頻逆變器界線，形成了具有旁路功能的交流變頻軟起動器結構。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種具有旁路功能的交流變頻軟起動器，包括三相整流橋、電容C、三相逆變橋和控制器；所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進線端通過直流母線連接，所述的電容C并聯在直流母線上，電容支路上設置有與電容C串聯的帶有續流二極管VDC的功率開關管VTC控制電容充放電回路通斷；三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端分別與電網和電機連接形成主回路；三相整流橋的進線端上、三相逆變橋的出線端上、電網與電機的連接線上都串聯有旁路接觸器；所述的控制器采集電網輸出端、直流母線上、三相逆變橋輸出端的電壓和電流，且控制器通過驅動電路控制所有的旁路接觸器。

電網的A、B、C三相分別通過旁路接觸器SA、SB、SC與三相整流橋的三個進線端連接，電網的A、B、C三相分別通過旁路接觸器Sa、Sb、Sc與電機的U、V、W三相連接，三相逆變橋的三個出線端分別通過旁路接觸器SU、SV、SW與電機的U、V、W三相連接。

電網電壓間接給電機供電、需要變頻軟起動器控制時，旁路接觸器Sa、Sb、Sc斷開，旁路接觸器SA、SB、SC、SU、SV及SW閉合。

電網電壓直接給電機供電、需要將變頻軟起動器旁路時，旁路接觸器Sa、Sb、Sc閉合，旁路接觸器SA、SB、SC、SU、SV及SW斷開。

一種具有旁路功能的交流變頻軟起動器的控制方法，包括以下步驟：

三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端的旁路接觸器閉合，電網和電機之間的旁路接觸器斷開，三相整流橋將電網的交流電壓變換為直流電壓，三相逆變橋再將直流母線的直流電壓變換為幅值、頻率、相位可調的交流電壓給電機供電，控制器對電機進行連續變頻的軟起動控制；控制器控制電容支路充放電，保留脈動電壓并提供能量回饋回路；軟起動完成后，通過相位調節使逆變器輸出電壓與電網電壓同頻同相，調制方式由高頻互補導通的多脈寬調制方式轉變為120度導通的單脈寬調制，轉換過渡過程以過調制的方式完成；此后，通過電流電壓檢測找到變頻軟起動器旁路時機，三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端的旁路接觸器斷開，電網和電機之間的旁路接觸器閉合，在電機正常運行的同時退出變頻軟起動器。

電容充放電回路控制方法具體步驟為：

控制器根據直流母線的電壓值來判斷電容充放電回路應處的通斷狀態：控制器采集的直流母線電壓值大于控制器閾值時，主回路通過電容C形成續流回路，功率開關管VTCVTC導通形成負載續流回路，此時三相逆變橋的入口側電壓高于三相整流橋入口側電壓，電網能量不流入電容C；

控制器采集的直流母線電壓值低于控制器閾值時，判斷此時不需要電容形成續流回路，關斷功率開關管VTCVTC，電網能量流入三相逆變橋中；斷開電容C的充電回路，電網能量流入到逆變橋中，不流入到電容中，在續流時儲存在電容C中能量則可以通過續流二極管VDC釋放到逆變橋中；整個過程電網和電容C無能量流動，直流母線電壓無濾波，直流母線保留了直接來自電網線的脈動電壓。

調制方式的轉變具體步驟為：當變頻軟起動器輸出為50Hz、電機變頻起動完成后，增大調制比，將給定調制波的幅值逐步提升，使其過調制至：當電網中某相電壓值的絕對值在三相中最大時的120度時間段內，持續觸發該相對應的上下橋臂；再通過相位調節將其他時刻的多脈寬轉換為低電平，完成調制方式的轉變。

變頻軟起動器旁路時機為：當軟起動完成后不需要變頻調速時，通過相位調制使三相逆變橋輸出與電網電壓同頻同相，然后改變調制方式，讓三相逆變橋工作于與三相整流橋同步的兩相導通工作模式；通過控制器對電壓電流進行檢測，找到一段時間內電網的A、B相分別與電機的U、V直接相接，電網C相未導通電流為零，且這段時間內能夠找到一個時刻電機W相電流衰減到零。

變頻軟起動器旁路的具體控制方法為：三相整流橋的二極管VD1和二極管VD6導通，電網A、B相間的壓差最大，在母線上形成電壓Uab，三相逆變橋中IGBT管VT1、IGBT管VT6開通，電網的A相與電機的U相相連，B相與電機的V相相連，兩邊電壓一致；將旁路接觸器Sa、Sb閉合，旁路接觸器SA、SB與SU斷開，讓電網的A、B相分別與電機的U、V相直接相連，旁路掉變頻軟起動器中的兩相，同時觸發IGBT管VT2使電機W相電流以W相、IGBT管VT2、二極管VD6、V相回路通過內部能耗沿著原電流曲線變化趨勢衰減過零，電網中只有A、B兩相導通，C相的相電流也為零，此時斷開旁路接觸器SV，再閉合旁路接觸器Sc，然后斷開旁路接觸器SC、SW，電機的W相和電網的C相直接相接，將變頻軟起動器旁路。

相對于現有技術，本發明具有如下技術效果：

本次發明針對傳統變頻逆變器結構進行改進，在直流母線上的電容支路上串入帶有續流二極管的功率開關管，對電容C充放電回路的通斷進行控制。其在交-直-交變頻軟起動器兩端串入旁路接觸器，形成新的交流-直流-交流拓撲結構，同時對并接在逆變器直流母線側的電容充放電回路進行控制，這種新結構因在直流母線上保留了來至電網的6波頭脈動電壓，使變頻軟起動器輸出端與電網具有直接連接關系而可以實現旁路，因此可以很好的應用到電機的變頻調速和軟起動領域。整體結構上保持整流和逆變兩部分，已有的逆變變頻原理和控制方式在這種結構上仍然適用，且輸出效果可以達到傳統變頻軟起動器性能，而且改進后的結構可以實現旁路。將其應用于電機軟起動可以很好的實現變頻軟起動。在不要變頻調速的工業場所，起動完成后將其退出，還可以應用于其他電機的軟起動或者調速生產中。如此實現一機多用，大幅度降低成本，而且其優越的性能也完好地解決了異步電機起動問題，跨越了軟起動器與變頻逆變器界線，形成了具有旁路功能的交流變頻軟起動器結構。

本次發明的控制方法先通過三相整流橋將電網的交流電壓變換為直流電壓，再將直流母線的電壓通過三相逆變橋變換為幅值、頻率、相位可調的交流電壓，同樣以交-直-交變頻的方式給異步電動機供電，并進行變頻調速及軟起動控制，同時實現在不影響原有逆變變頻控制算法運行結果的情況下，使其實現旁路。

通過帶有續流二極管的功率開關管，對電容充放電回路的通斷進行控制。這樣做的優勢是相對于傳統的變頻結構，這種新型結構同樣可以削平電感續流時刻母線上的尖峰電壓，在使逆變輸出電壓的相位、頻率同電網電壓保持一致時，保證任何一個PWM調制周期內，電網經過整流橋的二極管和逆變橋的IGBT后與異步電機定子端有直接的鏈接關系，給旁路帶來了很大的便利。

在三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端以及電網和電機之間都串入旁路接觸器。這樣做的優勢是相對于傳統的變頻結構，這種新型結構在電網電壓間接供電時(需要變頻軟起動或是需要變頻調速的工業場所)，閉合相應的旁路接觸器，可以正常進行變頻調速或者軟起動控制。當軟起動完成后不需要變頻調速時，調節相位使三相逆變橋輸出與電網電壓同頻同相并改變調制方式，由于三相整流橋的工作特性，電網電壓是兩相導通的，這種調制方式就是讓三相逆變橋工作于與三相整流橋同步的兩相導通工作模式。這樣可以通過控制器對電壓電流進行檢測，找到一段時間，這段時間內電網的A、B相分別與電機的U、V直接相接，電網C相未導通電流為零，且這段時間內能夠找到一個時刻電機W相電流衰減到零，那么在這段時間按照一定順序閉合與斷開旁路接觸器，將變頻軟起動器旁路，過渡到電網直接供電。

【附圖說明】

圖1為傳統三相晶閘管反并聯軟起動器結構圖。

圖2為本發明使用的改進后的交-直-交變頻軟起動器結構圖。

圖3a為電網三相相電壓波形圖，圖3b為電網三相線電壓波形圖，圖3c為母線電壓波形對比圖，圖中Uab、Uac、Uba、Uca、Ucb脈動電壓為母線無濾波電容時的電壓波形，Ludc為母線濾波電容無窮大是時的電壓波形。

圖4用來分析旁路時機的母線無濾波電容時的電壓波形圖。

圖5脈寬調制方式轉變過渡過程示意圖。

【具體實施方式】

下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。

如圖2所示，本發明一種具有旁路功能的交流變頻軟起動器，包括三相整流橋、電容支路、三相逆變橋和控制器；所述三相整流橋的出線端與三相逆變橋的進線端通過直流母線連接，所述的電容支路并聯在直流母線上；三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端分別與電網和電機連接形成拓撲結構；三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端以及電網和電機之間都串聯有旁路接觸器；所述的控制器采集電網輸出端、直流母線上、三相逆變橋輸出端的電壓和電流，且控制器通過驅動電路控制旁路接觸器連接。

整體結構上保持整流和逆變兩部分，先通過三相整流橋將電網的交流電壓變換為直流電壓，再將直流母線的電壓通過三相逆變橋變換為幅值、頻率、相位可調的交流電壓，同樣以交-直-交變頻的方式給異步電動機供電，并進行變頻調速及軟起動控制。

優選的，結構上對傳統交-直-交變頻結構改進，對并在直流母線上的電容C支路上串入帶有續流二極管VDC的功率開關管VTC，利用功率管VTC對并接在逆變器直流母線側的電容充放電回路的通斷進行控制。這樣的結構消除了某個電感續流時刻母線電壓產生的尖峰，同時不對母線電壓濾波，保留了來至電網的6波頭脈動電壓使變頻軟起動器輸出端與電網具有直接連接關系而可以實現旁路。

優選的，在三相整流橋的進線端、三相逆變橋的出線端以及電網和電機之間都串入旁路接觸器SA、SB、SC、SU、SV、SW、Sa、Sb、Sc。使本發明具有電機變頻調速控制功能，也具有控制電機連續變頻軟起動后的自旁路功能。

本發明的控制方案具體如下：

通過傳統變頻調速理論對電機進行連續變頻的軟起動控制，在電機零轉速時控制變頻軟起動器輸出到其定子的電壓頻率為3Hz，此后以0.01Hz步進提升同步轉速，直至工頻，從低頻啟動提升轉矩，降低起動電流。

起動完成后，以相位調節和過調制的方法，使輸出方式與電網同頻同相后，變頻軟起動器調制方式由高頻互補導通的多脈寬調制轉變為120度導通的單脈寬，調制轉換過渡過程以過調制的方式完成。逆變橋的導通方式與電網側同步，開關頻率降低，為控制器尋找旁路時機做準備。

根據“兩相電壓一致，一相電流同時為零”原則，通過電流電壓檢測的方法找到變頻軟起動器旁路時機，通過合理的控制SA、SB、SC、SU、SV、SW、Sa、Sb、Sc的開閘合閘順序，在電機正常運行的同時實現變頻軟起動器旁路退出，電機由電網直接供電，旁路過程轉速擾動不大。

下面將從直流母線電容C的PWM調制原理、變頻軟起動的運行原理、變頻軟起動器的旁路時機選擇來介紹這種以新結構為基礎的具有旁路功能的交流變頻軟起動器的工作過程。

1、母線電容C的充放電回路控制原理

在傳統交-直-交變頻結構中，這個電容C的作用是濾波穩壓和提供續流回路，吸收掉電感續流時刻在直流母線上產生的尖峰電壓。如圖3a、3b和3c所示，不可控的三相整流橋每次只將電網的相電壓壓差最大的兩相導通，且其自然換相點為各相線電壓的交點，所以交流電網電壓經過整流橋后輸出的是6個波頭的脈動電壓，如圖3b中的電壓曲線。經過并接在直流母線上的電容C濾波之后，其對脈動電壓進行濾波，使母線電壓波動變緩，當容值非常大時，母線電壓近似為一條直線，如圖3c中的直線Ludc所示。為了實現旁路的目的，在直流母線保留源至于電網的6波頭脈動電壓，需要斷開電容的充放電回路。但是在正常的變頻過程中負載往往呈現感性，會有電感續流的狀態，在逆變橋的調制過程中續流方式分為兩種。

如圖2可見，一種續流方式是電機兩相直接相接的續流，例如電機U相->IGBT管VT4->IGBT管VT6->電機V相，續流能量由電機自身消耗。另一種續流方式是通過兩個二極管將能量送到直流母線，在母線上形成高壓尖峰，由于整流橋的結構是無法將續流的能量回饋到電網的，此時通過電容形成續流回路，來儲存電感中的能量，吸收尖峰高壓。由此可見，在這種續流狀態時電容是必不可少的。

為了解決這一矛盾，在電容支路上串入功率開關管VTC，根據直流母線的電壓值來判斷電容充放電回路應處的通斷狀態。當電感處于第二種續流方式時，例如通過二極管VL4和二極管VL3續流時，直流母線的末端即三相逆變橋的進線端電壓值會升高，在控制器中設定一個閾值，采集母線的電壓，當其大于這個閾值就判斷為此時主回路處于第二種續流狀態，功率開關管VTCVTC導通形成:負載->二極管VL3->功率開關管VTC->電容C->二極管VL4->負載續流回路，這也是電容的充電回路，此時逆變橋的入口側電壓是高于整流橋入口側電壓的，因此電網中沒有能量流入電容，其他的續流狀態同理。當采集到的電壓值低于閾值時，判斷此時不需要電容提供續流回路，關斷功率管，斷開電容的充電回路，電網能量只能流入到逆變橋中，不會流入到電容中。而在續流時儲存在電容C中能量則可以通過續流二極管VDC釋放到逆變橋中。整個過程電網和電容并不存在能量流動，所以電容并未發揮其濾波穩壓作用，使母線保留了直接來至電網線的脈動電壓，為旁路提供便利，同時保留了完整的續流回路，保證了逆變變頻工作過程的正常進行。

2、變頻軟起動的運行原理與起動完成后的調制方式轉換

變頻軟起動就是控制變頻軟起動器的輸出頻率，使電機定子磁場頻率與轉子轉速同步提升，提升轉矩，減小轉差率，降低起動電流，最后過渡至工頻，電機完成起動。比如，在電機零轉速時控制變頻軟起動器輸出到電機定子的電壓頻率為3Hz，此后以0.01Hz步進提升同步轉速，每次轉子轉速穩定后切換頻率。雖然直流母線上沒有了電源的濾波作用而存在電壓脈動，但是在一般的控制算法中PWM占空比α＝Uset/Udc，其中Uset為每個采樣周期期望的輸出電壓，在母線電壓波動時，只要根據每次采集母線電壓實時改變Udc，調節占空比就可以得到期望輸出，因此這種新拓撲不會影響逆變橋的輸出，已經成熟的變頻算法在這種新型的結構上依然適用。變頻起動的過程可以根據需要采用恒壓頻比、矢量控制或轉矩控制，非常的靈活，而且其頻率幅值可以連續變化，使電機起動過程無縫銜接，平滑的提升轉速，整個過程轉差率都不大，很好的解決電機起動的問題。

在電機起動完成后，通過相位調節使逆變橋輸出與電網同相位，然后將高頻互補導通的多脈寬調制方式轉變為120度導通的單脈寬調制。調制方式的轉變過程如圖5所示，當變頻軟起動器輸出為50Hz即電機變頻起動完成后，增大調制比，將給定調制波的幅值逐步提升，使其過調制至：當電網中某相電壓值的絕對值在三相中最大時的120度時間段內，持續觸發該相對應的上下橋臂(以A相為例，A相正向電壓值最大即整流橋輸入端為電網流向為AB或AC的120度時間段使三相逆變橋的IGBT管VT1觸發，A相反向電壓值最大即整流橋入端為電網流向為BA或CA的120度時間段使三相逆變橋的IGBT管VT4觸發)。再將其他時刻的多脈寬轉換為低電平，完成調制方式的轉變。由于母線電壓沒有電容的濾波穩壓作用后，其波形為圖3c所示的Uab、Uac、Ubc、Uba、Uca、Ucb六波頭脈動電壓，所以此時的調制方式轉變為當電網A、B相導通(Uab)時，觸發IGBT管VT1、IGBT管VT6，在電機端形成電壓矢量u_AB；電網A、C相導通(Uac)時，觸發IGBT管VT1、IGBT管VT2，在電機端形成電壓矢量u_AC；電網B、C相導通(Ubc)時，觸發IGBT管VT3、IGBT管VT2，在電機端形成電壓矢量u_BC；電網B、A相導通(Uba)時，觸發IGBT管VT3、IGBT管VT4，在電機端形成電壓矢量u_BA；電網C、A相導通(Uca)時，觸發IGBT管VT5、IGBT管VT4，在電機端形成電壓矢量u_CA；電網C、B相導通(Ucb)時，觸發IGBT管VT5、IGBT管VT6，在電機端形成電壓矢量u_CB。形成了50Hz的正六邊形磁場，電機正常運行且定子端電壓與電網一致。

3、旁路時機選擇

本次發明的新型交-直-交變頻結構通過直流母線電容充放電回路控制的方法在保證主回路正常續流的同時，在直流母線上保留了直接來至電網與三相線電壓一致的脈動電壓。雖然這樣可以使電網電壓通過整流橋的二極管和逆變橋的IGBT直接作用到負載上，但還是需要尋找一個最佳的時機和自然過渡到電網的切換策略才能使電機原本的電流與電網的電流無縫銜接，做到擾動較小的變頻軟起動器旁路。

本次發明的變頻軟起動器在電機變頻起動完成，通過相位調節和調制轉換的方法使逆變橋輸出與電網電壓同頻、同相后，選擇的旁路策略的原則是“兩相電壓一致，一相電流同時為零”，即電機定子中的兩相通過整流橋中的兩個二極管和逆變橋其中兩個IGBT直接與電網中某兩相相連，且定子的另一相和電網的另一相電流同時過零的時刻。以圖4所示的情況為例來尋找這一旁路時機。如上節所述，調制方式轉變后，存在一段時長為3.33ms(六分之一個工頻周期)的時間，這段時間內，圖2中整流橋的二極管VD1和二極管VD6導通，即此時電網AB相間的壓差最大，在母線上形成電壓Uab，逆變橋中的IGBT開關狀態正好處于IGBT管VT1、IGBT管VT6開通，那么此時電網的A相與電機的U相相連，B相與電機的V相相連，兩邊電壓一致，在這段時間最左側的自然換相點將旁路接觸器Sa、Sb閉合，SA、SB與Su斷開，讓電網的A、B相分別與電機的U、V相直接相連，旁路掉變頻軟起動器中的兩相。同時觸發IGBT管VT6使電機W相電流以W相->V相->IGBT管VT6->二極管VD2->W相回路通過內部能耗沿著原電流曲線變化趨勢衰減過零，在過零點的這一時刻t，由于整流橋的工作特性電網中只有A、B兩相導通，C相的相電流也為零，此時斷開旁路接觸器SV，再閉合旁路接觸器Sc，然后斷開SC、SW，電機的W相和電網的C相直接相接，電流是無擾動的與電網銜接的。電機的磁場突變很小，轉速波動不大，成功將變頻軟起動器旁路。

盡管以上結合附圖對本發明的實施方案進行了描述，但本發明并不局限于上述的具體實施方案，上述的具體實施方案僅僅是示意性的、指導性的，而不是限制性的。本領域的普通技術人員在本說明書的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的范圍的情況下，還可以做出很多種的形式，這些均屬于本發明保護之列。