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1、(10)申请公布号 CN 104124905 A (43)申请公布日 2014.10.29 CN 104124905 A (21)申请号 201410405095.5 (22)申请日 2014.08.18 H02P 1/42(2006.01) (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武 汉大学 (72)发明人 袁佳歆 雷洋 周俊卫 余长厅 陈柏超 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所 ( 特殊普通合伙 ) 42222 代理人 薛玲 (54) 发明名称 一种自耦降压补偿一体化软启动装置 (57) 摘要 本发明公开了一种自耦降压补偿一体化软启 动装置， 。
2、将自耦变压器和磁阀式可控电抗器两种 功能通过巧妙的电路和磁路设计耦合到一起， 涉 及超 / 特大容量高压电机的启动。高压侧磁芯和 低压侧磁芯结构完全相同， 高压侧磁芯由第一铁 芯、 第二铁芯和第一旁轭组成， 第一铁芯上绕有第 一线圈和第二线圈， 第二铁芯上绕有第三线圈和 第四线圈， 第一线圈和第三线圈的另一端以及第 二线圈和第四线圈的另一端并联。高压侧绕组一 端接输入电源正极， 另一端接低压绕组输入端， 同 时接入电机一端， 低压侧绕组的另一端接电源负 极和电机另一端。可平滑的改变高压侧和低压侧 的阻抗， 启动电流小， 体积小， 启动性能平稳， 响应 速度快， 使用寿命长。 (51)Int.C。
3、l. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 104124905 A CN 104124905 A 1/1 页 2 1. 一种自耦降压补偿一体化软启动装置， 其特征在于 ： 包括高压侧线圈绕组和低压侧 线圈绕组， 所述的高压侧线圈绕组和低压侧线圈绕组组成结构完全相同 ； 所述的高压侧线 圈绕组包括第一铁芯 （101） 和第二铁芯 （102） ， 所述的第一铁芯 （101） 上绕有第一线圈 （1） 和第二线圈 （2） ， 所述的第二铁芯 （102） 上绕有第三线圈。
4、 （3） 和第四线圈 （4） ； 所述的低压 侧线圈绕组包括第三铁芯 （201） 和第四铁芯 （202） ， 所述的第三铁芯 （201） 上绕有第五线圈 （5） 和第六线圈 （6） ， 所述的第四铁芯 （202） 上绕有第七线圈 （7） 和第八线圈 （8） ； 所述的第 一线圈 （1） 和第三线圈 （3） 的一端相连后接输入电源正极， 所述的第二线圈 （2） 和第四线 圈 （4） 的一端相连后接低压侧线圈绕组输入端、 同时接入电机一端， 所述的第五线圈 （5） 和 第七线圈 （7） 的一端相连后接低压侧线圈绕组输入端、 同时接入电机一端， 所述的第六线圈 （6） 和第八线圈 （8） 的一端相连。
5、后接输入电源负极、 同时接入电机另一端， 所述的第一线圈 （1） 的另一端与所述的第四线圈 （4） 的另一端相连， 所述的第三线圈 （3） 的另一端与第二线 圈 （2） 的另一端相连， 所述的第五线圈 （5） 的另一端与所述的第八线圈 （8） 的另一端相连， 所述的第七线圈 （7） 的另一端与所述的第六线圈 （6） 的一端相连。 2. 根据权利要求 1 所述的自耦降压补偿一体化软启动装置， 其特征在于 ： 还设置有第 一二级管 （D1） 、 第二二级管 （D2） 、 第一晶闸管 （T1） 、 第二晶闸管 （T2） 、 第三晶闸管 （T3） 和第 四晶闸管 （T4） ； 所述的第一二级管 （D1。
6、） 阳极与所述的第一线圈 （1） 与第四线圈 （4） 连接的 节点连接， 阴极与所述的第三线圈 （3） 与第二线圈 （2） 连接的节点连接 ； 所述的第一晶闸管 （T1） 并联设置在所述的第一线圈 （1） 与第二线圈 （2） 相邻的一端 ； 所述的第二晶闸管 （T2） 并联设置在所述的第四线圈 （4） 与第三线圈 （3） 相邻的一端 ； 所述的第二二级管 （D2） 阳极 与所述的第五线圈 （5） 与第八线圈 （8） 连接的节点连接， 阴极与所述的第六线圈 （6） 与第七 线圈 （7） 连接的节点连接 ； 所述的第三晶闸管 （T3） 并联设置在所述的第五线圈 （5） 与第六 线圈 （6） 相邻的。
7、一端 ； 所述的第四晶闸管 （T4） 并联设置在所述的第七线圈 （7） 与第八线圈 （8） 相邻的一端 ； 所述的第一晶闸管 （T1） 、 第二晶闸管 （T2） 、 第三晶闸管 （T3） 和第四晶闸管 （T4） 的控制极均与工控机连接。 3. 根据权利要求 1 或 2 所述的自耦降压补偿一体化软启动装置， 其特征在于 ： 所述的 第一线圈 （1） 、 第二线圈 （2） 、 第三线圈 （3） 和第四线圈 （4） 的绕向和匝数相等 ； 所述的第五 线圈 （5） 、 第六线圈 （6） 、 第七线圈 （7） 和第八线圈 （8） 的绕向和匝数相等。 4. 根据权利要求 1 或 2 所述的自耦降压补偿一体。
8、化软启动装置， 其特征在于 ： 所述的 第一铁芯 （101） 、 第二铁芯 （102） 、 第三铁芯 （201） 和第四铁芯 （202） 为圆柱形、 椭圆柱形或 矩形， 其上分别绕有的线圈为上下层布置或内外层布置。 5. 根据权利要求 4 所述的自耦降压补偿一体化软启动装置， 其特征在于 ： 所述的第一 铁芯 （101） 的左侧和第四铁芯 （202） 的右侧分别设置有第一旁轭 （103） 和第二旁轭 （203） ； 所述的第一旁轭 （103）和第二旁轭 （203）为长方形， 所述的第一旁轭 （103）和第二旁轭 （203） 的宽度分别大于或等于第一铁芯 （101） 的宽度或第四铁芯 （202）。
9、 上线圈的外径。 6. 根据权利要求 5 所述的自耦降压补偿一体化软启动装置， 其特征在于 ： 还设置有上 轭 （301） 和下轭 （302） ， 所述的上轭 （301） 和下轭 （302） 的长度等于第一旁轭 （103） 至第二 旁轭 （203） 的距离， 所述的上轭 （301） 和下轭 （302） 的宽度分别大于或等于第一铁芯 （101） 的宽度或第四铁芯 （202） 上线圈的外径。 权 利 要 求 书 CN 104124905 A 2 1/4 页 3 一种自耦降压补偿一体化软启动装置 0001 技术领域 0002 本发明属于电动机软启动技术领域， 涉及一种用于启动电动机的设备， 具体来说。
10、 涉及一种基于虚拟磁阀技术的超 / 特大容量高压电机自耦降压补偿一体化软启动装置。 0003 背景技术 0004 随着国民经济的发展， 近年来许多行业中使用的高压大容量电动机数量超过 2000 万台以上， 并且逐年递增。 高压大功率电动机直接起动时产生的大电流， 对电网、 电动机及 拖动设备危害大。使用电动机软启动装置， 可以有效避免电动机直接起动所造成的危害性 及影响。 0005 我国软起动行业的发展是从用于绕线式异步电动机多级起动金属电阻器开始的， 接下来是频敏变阻器技术， 现多用液体电阻起动器的平滑起动。目前， 国内市场上的主力 是热变电阻和液态电阻软起动装置， 这其中应用于高压电机启动。
11、的主要还是水电阻启动装 置。水电阻启动装置主要存在以下缺点， 首先装置体积大、 启动性能不稳定、 受环境温度影 响大、 不能连续启动， 连续启动时易开锅， 其次安全性差、 安装调试及维护麻烦， 需定期加 水， 使用寿命短， 只有 3-5 年。水电阻以水溶液为导电介质， 上述缺点难以解决。从进口软 启动产品来看， 大功率软启动装置主要还是进口， 如 20000kW 以上的电动机， 多采用西门子 和 ABB 的变频软启动装置， 这类装置占用空间极大， 维护要求很高， 且投资居大。 0006 发明内容 0007 为了解决上述的技术问题， 本发明针对超 / 特大容量高压电动机启动电流过大问 题， 提出。
12、了一种基于虚拟磁阀技术的超特大功率高压电动机自耦降压补偿一体化软启动装 置， 采用自耦变压器和虚拟磁阀电抗器两种技术手段减小和限制启动电流， 可实现阻抗的 平滑调节， 体积小， 启动性能平稳， 响应速度快， 使用寿命长， 适用于超 / 特大容量高压电机 的启动。 0008 本发明所采用的技术方案是 ： 一种自耦降压补偿一体化软启动装置， 其特征在于 ： 包括高压侧线圈绕组和低压侧线圈绕组， 所述的高压侧线圈绕组和低压侧线圈绕组组成结 构完全相同 ； 所述的高压侧线圈绕组包括第一铁芯和第二铁芯， 所述的第一铁芯上绕有第 一线圈和第二线圈， 所述的第二铁芯上绕有第三线圈和第四线圈 ； 所述的低压侧。
13、线圈绕组 包括第三铁芯和第四铁芯， 所述的第三铁芯上绕有第五线圈和第六线圈， 所述的第四铁芯 上绕有第七线圈和第八线圈 ； 所述的第一线圈和第三线圈的一端相连后接输入电源正极， 所述的第二线圈和第四线圈的一端相连后接低压侧线圈绕组输入端、 同时接入电机一端， 所述的第五线圈和第七线圈的一端相连后接低压侧线圈绕组输入端、 同时接入电机一端， 说 明 书 CN 104124905 A 3 2/4 页 4 所述的第六线圈和第八线圈的一端相连后接输入电源负极、 同时接入电机另一端， 所述的 第一线圈的另一端与所述的第四线圈的另一端相连， 所述的第三线圈的另一端与第二线圈 的另一端相连， 所述的第五线圈。
14、的另一端与所述的第八线圈的另一端相连， 所述的第七线 圈的另一端与所述的第六线圈的一端相连。 0009 作为优选， 所述的自耦降压补偿一体化软启动装置还设置有第一二级管、 第二二 级管、 第一晶闸管、 第二晶闸管、 第三晶闸管和第四晶闸管 ； 所述的第一二级管阳极与所述 的第一线圈与第四线圈连接的节点连接， 阴极与所述的第三线圈与第二线圈连接的节点连 接 ； 所述的第一晶闸管并联设置在所述的第一线圈与第二线圈相邻的一端 ； 所述的第二晶 闸管并联设置在所述的第四线圈与第三线圈相邻的一端 ； 所述的第二二级管阳极与所述 的第五线圈与第八线圈连接的节点连接， 阴极与所述的第六线圈与第七线圈连接的节。
15、点连 接 ； 所述的第三晶闸管并联设置在所述的第五线圈与第六线圈相邻的一端 ； 所述的第四晶 闸管并联设置在所述的第七线圈与第八线圈相邻的一端 ； 所述的第一晶闸管、 第二晶闸管、 第三晶闸管和第四晶闸管的控制极均与工控机连接。 0010 作为优选， 所述的第一线圈、 第二线圈、 第三线圈和第四线圈的绕向和匝数相等 ； 所述的第五线圈、 第六线圈、 第七线圈和第八线圈的绕向和匝数相等。 0011 作为优选， 所述的第一铁芯、 第二铁芯、 第三铁芯和第四铁芯为圆柱形、 椭圆柱形 或矩形， 其上分别绕有的线圈为上下层布置或内外层布置。 0012 作为优选， 所述的第一铁芯的左侧和第四铁芯的右侧分别。
16、设置有第一旁轭和第二 旁轭 ； 所述的第一旁轭和第二旁轭为长方形， 所述的第一旁轭和第二旁轭的宽度分别大于 或等于第一铁芯的宽度或第四铁芯上线圈的外径。 0013 作为优选， 所述的自耦降压补偿一体化软启动装置还设置有上轭和下轭， 所述的 上轭和下轭的长度等于第一旁轭至第二旁轭的距离， 所述的上轭和下轭的宽度分别大于或 等于第一铁芯的宽度或第四铁芯上线圈的外径。 0014 与现有技术相比， 本发明具有以下明显的优点 ： 1. 将自耦变压器和磁阀式可控电抗器两种功能通过电路和磁路设计耦合到一起， 通 过两种方式减小启动电流， 且减小了装置体积和成本 ； 2. 以低压晶闸管作为核心控制器件， 通过。
17、工控机的调节改变高、 低压侧绕组的阻抗， 实现电机的软启动 ； 3. 采用自耦励磁的方式， 交直流绕组为同一线圈， 结构紧凑体积更小， 交流阻抗调节 范围更大， 响应速度更快 ； 4. 两旁轭和上轭、 下轭的端面尺寸大于线圈的截面尺寸， 具有较好的屏蔽作用， 基本 无漏磁现象 ； 5. 启动过程中可准确锁定， 装置体积小， 启动性能平稳， 不受环境温度影响， 可连续启 动， 安装调试简单， 免维护， 可靠性高， 使用寿命长。 0015 附图说明 0016 图 1 ： 是本发明实施例的结构示意图。 0017 图 2 ： 是本发明实施例的装置原理图。 说 明 书 CN 104124905 A 4 。
18、3/4 页 5 0018 具体实施方式 0019 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明， 下面结合附图及实施例对本发 明作进一步的详细描述， 应当理解， 此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明， 并不 用于限定本发明。 0020 本发明包括磁阀式可控电抗器、 可控硅励磁系统、 控制器及附加并联补偿电容器 组。本发明将自耦变压器和磁阀式可控电抗器两种功能通过电路和磁路设计耦合到一起， 包括高压侧磁芯、 低压侧磁芯以及绕组构成。 0021 请见图 1， 本发明所采用的技术方案是 ： 一种自耦降压补偿一体化软启动装置， 包 括高压侧线圈绕组、 低压侧线圈绕组、 第一二级管 D1、 第二二级。
19、管 D2、 第一晶闸管 T1、 第二 晶闸管 T2、 第三晶闸管 T3、 第四晶闸管 T4、 第一旁轭 103、 第二旁轭 203、 上轭 301 和下轭 302， 高压侧线圈绕组和低压侧线圈绕组组成结构完全相同 ； 高压侧线圈绕组包括第一铁芯 101和第二铁芯102， 第一铁芯101上绕有第一线圈1和第二线圈2， 第二铁芯102上绕有第 三线圈 3 和第四线圈 4 ； 低压侧线圈绕组包括第三铁芯 201 和第四铁芯 202， 第三铁芯 201 上绕有第五线圈 5 和第六线圈 6， 第四铁芯 202 上绕有第七线圈 7 和第八线圈 8 ； 第一线圈 1和第三线圈3的一端相连后接输入电源正极， 。
20、第二线圈2和第四线圈4的一端相连后接低 压侧线圈绕组输入端、 同时接入电机一端， 第五线圈5和第七线圈7的一端相连后接低压侧 线圈绕组输入端、 同时接入电机一端， 第六线圈6和第八线圈8的一端相连后接输入电源负 极、 同时接入电机另一端， 第一线圈 1 的另一端与第四线圈 4 的另一端相连， 第三线圈 3 的 另一端与第二线圈 2 的另一端相连， 第五线圈 5 的另一端与第八线圈 8 的另一端相连， 第七 线圈 7 的另一端与第六线圈 6 的一端相连 ； 第一二级管 D1 阳极与第一线圈 1 与第四线圈 4 连接的节点连接， 阴极与第三线圈 3 与第二线圈 2 连接的节点连接 ； 第一晶闸管 。
21、T1 并联设 置在第一线圈 1 与第二线圈 2 相邻的一端 ； 第二晶闸管 T2 并联设置在第四线圈 4 与第三线 圈 3 相邻的一端 ； 第二二级管 D2 阳极与第五线圈 5 与第八线圈 8 连接的节点连接， 阴极与 第六线圈 6 与第七线圈 7 连接的节点连接 ； 第三晶闸管 T3 并联设置在第五线圈 5 与第六线 圈 6 相邻的一端 ； 第四晶闸管 T4 并联设置在第七线圈 7 与第八线圈 8 相邻的一端 ； 第一晶 闸管T1、 第二晶闸管T2、 第三晶闸管T3和第四晶闸管T4的控制极均与工控机连接 ； 第一铁 芯 101 的左侧和第四铁芯 202 的右侧分别设置有第一旁轭 103 和第。
22、二旁轭 203 ； 第一旁轭 103 和第二旁轭 203 为长方形， 第一旁轭 103 和第二旁轭 203 的宽度分别大于或等于第一 铁芯 101 的宽度或第四铁芯 202 上线圈的外径 ； 上轭 301 和下轭 302 的长度等于第一旁轭 103至第二旁轭203的距离， 上轭301和下轭302的宽度分别大于或等于第一铁芯101的宽 度或第四铁芯 202 上线圈的外径。 0022 本实施例的第一线圈 1、 第二线圈 2、 第三线圈 3 和第四线圈 4 的绕向和匝数相等 ； 第五线圈 5、 第六线圈 6、 第七线圈 7 和第八线圈 8 的绕向和匝数相等。 0023 本发明的第一铁芯 101、 第。
23、二铁芯 102、 第三铁芯 201 和第四铁芯 202 可以为圆柱 形、 椭圆柱形或矩形， 其上分别绕有的线圈可以为上下层布置或内外层布置 ； 本实施例不做 进一步的限定。 0024 请见图 2， 本实施例的工作原理是将电抗值可调的磁阀式可控电抗器与电机定子 说 明 书 CN 104124905 A 5 4/4 页 6 绕组串联， 实现降压软启动。自耦降压一体化软启动装置的工作过程为 : 起动开始， 首先采 用自耦降压起动方式， 在自耦降压起动时， 先合高压断路器， 再依次合接触器 KM2、 KM3， 通过 自耦变压器给电动机分压， 此时电动机开始按自耦降压起动方式起动。自耦降压起动结束 后，。
24、 进入磁控调压软启动阶段， 电动机在自耦降压起动的基础上， 由高压绕组侧的磁控电抗 器进行磁控调压， 使电动机端电压连续增加至供电电压， 电动机通过磁控调压实现软启动， 电动机起动完毕， 由接触器 (KM1) 旁路将电动机接入电源。在磁控调压阶段， 进行磁控电抗 变换调节， 具体为 : 电压和电流传感器将电动机起动电信号接入控制器， 控制器根据电动 机参数， 设定启动电流值及相关参数与起动流程等， 进行软启动控制算法计算和软启动逻 辑判断等协调控制， 通过控制晶闸管式阻抗变换器的阻抗改变磁控电抗转换器的二次线圈 阻抗来改变其一次线圈阻抗， 从而实现电动机磁控调压软启动。 0025 尽管本说明书。
25、较多地使用了高压侧线圈绕组、 低压侧线圈绕组、 第一二级管 D1、 第 二二级管 D2、 第一晶闸管 T1、 第二晶闸管 T2、 第三晶闸管 T3、 第四晶闸管 T4、 第一旁轭 103、 第二旁轭 203、 上轭 301、 下轭 302、 第一铁芯 101、 第二铁芯 102、 第一线圈 1、 第二线圈 2、 第 三线圈 3、 第四线圈 4、 第三铁芯 201、 第四铁芯 202、 第五线圈 5、 第六线圈 6、 第七线圈 7 和 第八线圈 8 ； 等术语， 但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便 的描述本发明的本质， 把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 0026 应当理解的是， 本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。 0027 应当理解的是， 上述针对较佳实施例的描述较为详细， 并不能因此而认为是对本 发明专利保护范围的限制， 本领域的普通技术人员在本发明的启示下， 在不脱离本发明权 利要求所保护的范围情况下， 还可以做出替换或变形， 均落入本发明的保护范围之内， 本发 明的请求保护范围应以所附权利要求为准。 说 明 书 CN 104124905 A 6 1/2 页 7 图 1 说 明 书 附 图 CN 104124905 A 7 2/2 页 8 图 2 说 明 书 附 图 CN 104124905 A 8 。