前言

    近三十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)電弧開(kāi)關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件具有無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、功耗小等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機(jī)控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式，是離不開(kāi)電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展的。目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的軟啟動(dòng)器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式啟動(dòng)器是目前使用比較廣泛的啟動(dòng)方式，但它是有級(jí)起動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動(dòng)電流仍然為標(biāo)稱(chēng)電流的3~4倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無(wú)法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。

    目前在國(guó)外，發(fā)達(dá)國(guó)家的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置——晶閘管軟起動(dòng)和兼作軟起動(dòng)的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時(shí)，采用變頻裝置。在沒(méi)有調(diào)速要求使用的場(chǎng)合下，起動(dòng)負(fù)載較輕時(shí)一般采用晶閘管軟起動(dòng)。在重載或負(fù)載功率特別大的時(shí)候，才使用變頻軟起動(dòng)。晶閘管軟起動(dòng)裝置是發(fā)達(dá)國(guó)家軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動(dòng)的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生產(chǎn)的ASTAT智能電機(jī)軟起動(dòng)器；ABB公司生產(chǎn)的PST、PSTB系列電機(jī)軟起動(dòng)器；施耐德公司的ATS46軟起動(dòng)器；德國(guó)SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART軟起動(dòng)器等等。目前，國(guó)外對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對(duì)控制電壓、控制電機(jī)電流的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過(guò)建立比較準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載性能更優(yōu)[3]。另一方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。

    軟啟動(dòng)器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及各種保護(hù)功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，可以充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，由主控制電路對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著數(shù)字直流PWM調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用，以及采用高性能的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，可以使軟啟動(dòng)器具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。在三相交流異步電動(dòng)機(jī)不宜采用直接啟動(dòng)的時(shí)候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動(dòng)、Y-△啟動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)、晶閘管電子軟啟動(dòng)、分級(jí)變頻軟啟動(dòng)、兩相變頻調(diào)壓軟啟動(dòng)等方法。

1、三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程的分析

    為了研究三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。在不改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中的物理量和異步電機(jī)的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和繞組的計(jì)算，把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都?xì)w算成和定子繞組一樣，即可用歸算過(guò)的基本方程式推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。三相異步電動(dòng)機(jī)的T形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖1所示：

圖1 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路

    其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電阻，xm代表與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗。U1為定子電壓向量，E1為定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量?；赥形等效電路的數(shù)學(xué)模型為：

    起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方，起動(dòng)電流正比于定子電壓。起動(dòng)電壓較低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，電流也較??；反之，如果電壓較高，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但同時(shí)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流也很大。

    而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性主要表現(xiàn)在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面：希望電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便帶動(dòng)負(fù)載快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，也希望起動(dòng)電流不要太大。因?yàn)樵诠╇娮儔浩鞯娜萘勘容^小的情況下，過(guò)大的起動(dòng)電流將造成較大的線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

2、主回路電路設(shè)計(jì)

    2.1主回路電路

    軟起動(dòng)器主回路設(shè)計(jì)電路如圖2所示。

圖2主回路電路

    采用三組反并聯(lián)晶閘管組成調(diào)壓電路。在三組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸器，軟起動(dòng)時(shí)，接觸器斷開(kāi)，軟起動(dòng)完成后接觸器閉合。軟停車(chē)開(kāi)始時(shí)，接觸器再次打到雙向晶閘管端，軟起動(dòng)器投入到停車(chē)運(yùn)行，如此重復(fù)來(lái)完成軟起動(dòng)和軟停車(chē)。在三相電源側(cè)通過(guò)隔離電路得到軟起動(dòng)器同步信號(hào)；在晶閘管輸出側(cè)即R、S、T通過(guò)電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過(guò)整流電路送入單片機(jī)做故障檢測(cè)。而TAl，TA2年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號(hào)通過(guò)整流電路后轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸入到控制回路。

    2.2晶閘管保護(hù)電路

    晶閘管由于擊穿電壓接近工作電壓，熱容量又較小，所以承受過(guò)電壓、過(guò)電流能力較差，短時(shí)間內(nèi)的過(guò)電壓、過(guò)電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作，除了合理的選擇元件外，還必須對(duì)過(guò)電流，過(guò)電壓的發(fā)生采取保護(hù)措施。

    (1)過(guò)電流保護(hù)

    晶閘管設(shè)備發(fā)生過(guò)電流有可能是晶閘管損毀、觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等。針對(duì)這些情況，除了用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來(lái)保護(hù)晶閘管的過(guò)電流。

    (2)過(guò)電壓保護(hù)

    晶閘管有一個(gè)重要的特性參數(shù)，即斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。它表明晶閘管在額定結(jié)溫和門(mén)極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升率過(guò)大，超過(guò)了晶閘管的電壓上升率的值，則會(huì)在無(wú)門(mén)極信號(hào)的情況下開(kāi)通。即使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其陽(yáng)極峰值電壓，也可能出現(xiàn)這種情況。

    為了限制電路電壓上升率過(guò)大，確保晶閘管安全運(yùn)行，本設(shè)計(jì)在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)限制電壓上升率。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械模耘c電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過(guò)渡過(guò)程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓損壞晶閘管。同時(shí)，避免電容器通過(guò)晶閘管放電電流過(guò)大，造成過(guò)電流而損壞晶閘管。

3、電壓檢測(cè)回路設(shè)計(jì)

    在電壓檢測(cè)回路中，盡量實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能。其一是同步信號(hào)的檢測(cè)功能，采樣三相電壓的自然換相點(diǎn)，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的同步信號(hào)；其二是通過(guò)檢測(cè)晶閘管輸出端可以得到晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的檢測(cè)，以便做電壓反饋和缺相故障檢測(cè)；其三是將三相晶閘管輸出電壓信號(hào)通過(guò)電阻降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)中，作為過(guò)壓或欠壓保護(hù)的信號(hào)。

    3.1同步信號(hào)檢測(cè)

    為了保證三相交流調(diào)壓器主回路中各個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽(yáng)極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。在電機(jī)軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，同步信號(hào)檢測(cè)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有準(zhǔn)確的測(cè)量出電壓的過(guò)零點(diǎn)，才能精確的控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)兩端電壓的無(wú)極加載，完成軟起動(dòng)的功能。采用如圖3所示的電路作為電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路。從圖中可以看出，這個(gè)電路的功能就是將由電源側(cè)來(lái)的線電壓正弦信號(hào)轉(zhuǎn)為低壓方波信號(hào)來(lái)供單片機(jī)進(jìn)行處理分析。由于這里的信號(hào)是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入單片機(jī)處理的，因此要利用一塊光耦對(duì)高低壓信號(hào)進(jìn)行隔離，這樣保證了這兩種信號(hào)可以互不干擾地分離處理。

圖3同步信號(hào)檢測(cè)電路

    工作過(guò)程為：由電源側(cè)來(lái)的線電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)2個(gè)電阻和1個(gè)二極管，變成半波交流信號(hào)，這個(gè)交流信號(hào)在正半波時(shí)觸發(fā)光耦導(dǎo)通，從而使得右側(cè)輸入到單片機(jī)的是高電平信號(hào)；而當(dāng)光耦左側(cè)交流信號(hào)處于低電平時(shí)，光耦則截止。那么右側(cè)輸入到單片機(jī)的信號(hào)也就是低電平。這樣周而復(fù)始，單片機(jī)所得到的就是幅值為5V的方波信號(hào)，周期等同于電源的周期即工頻50Hz，而高低電平持續(xù)的時(shí)間也基本與電源側(cè)正負(fù)交流信號(hào)所持續(xù)的時(shí)間大致相同，雖然其間存在著一定的時(shí)延，但這可以通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡(jiǎn)化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，又得到了與電源電壓同步的信號(hào)，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號(hào)提供了工作電壓零點(diǎn)的基準(zhǔn)。圖中右端接主控單片機(jī)芯片。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面，在起動(dòng)未開(kāi)始或是開(kāi)始瞬間，這個(gè)電路就可以檢測(cè)到器件電壓零點(diǎn)；另外，由于輸入的交流信號(hào)是直接從電源側(cè)獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號(hào)再進(jìn)行處理，這樣就既節(jié)省了線路板的空間，又節(jié)約了成本。

    3.2電壓反饋回路

    電壓反饋回路如圖4所示。下面的電路可以得到與晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)刻相匹配的工頻50Hz的矩形波。簡(jiǎn)單介紹一下電路構(gòu)成：U為三相電源的一個(gè)輸入端(即一組晶閘管輸入側(cè))，R是與之相應(yīng)的電機(jī)輸入端(即相應(yīng)晶閘管輸出側(cè))。6N139是一塊高速達(dá)林頓光耦，既保證高壓側(cè)與單片機(jī)低壓部分的隔離，又能快速反應(yīng)出晶閘管導(dǎo)通/截止的時(shí)刻。通過(guò)計(jì)算單片機(jī)I/O口的高低維持時(shí)間，我們就可以計(jì)算出晶閘管的導(dǎo)通角，作為輸出電壓反饋，同時(shí)可以檢測(cè)出電壓是否缺相，并發(fā)出報(bào)警信息，及時(shí)通知操作人員出現(xiàn)故障的某一相電源。圖4顯示的是一路電壓反饋的檢測(cè)，還有兩路與之相似的電路檢測(cè)V、W相。

圖4電壓反饋回路

4、電流檢測(cè)回路設(shè)計(jì)

    電流檢測(cè)回路包括了電流反饋回路和保護(hù)回路兩方面。通過(guò)霍爾傳感器將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)中作為電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)、故障檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)的依據(jù)。

    4.1電流反饋回路

    電流反饋信號(hào)取自電機(jī)的定子側(cè)，采樣器件為霍爾元件，采樣后得到三相電流信號(hào)，將此電流信號(hào)經(jīng)過(guò)精密電阻得到相應(yīng)的電壓信號(hào)。與電壓過(guò)/欠電路類(lèi)似，該信號(hào)經(jīng)過(guò)三相全波整流、濾波和分壓后得到一個(gè)直流信號(hào)，并經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)的I/O口中，作為系統(tǒng)執(zhí)行軟起動(dòng)時(shí)的電流反饋信號(hào)。電流反饋信號(hào)檢測(cè)電路如圖5所示。U15為單片機(jī)芯片。

圖5電流檢測(cè)電路

    4.2過(guò)電流保護(hù)電路

    一個(gè)優(yōu)秀的過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)應(yīng)該是既能對(duì)過(guò)流反應(yīng)迅速，又能夠準(zhǔn)確動(dòng)作。本設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)環(huán)節(jié)相似。過(guò)流保護(hù)的信號(hào)取自電流反饋回路，整流、濾波電路與電流反饋電路相同。它與設(shè)定值相比較，一旦超過(guò)設(shè)定值，則輸出一個(gè)低電平信號(hào)送入輔助單片機(jī)U2的外部中斷口P3.3，然后再由軟件處理，對(duì)過(guò)流的晶閘管實(shí)現(xiàn)脈沖封鎖、故障報(bào)警和系統(tǒng)復(fù)位等。對(duì)過(guò)電流值的設(shè)定，一般選擇大小為5.5倍的額定電流，這是因?yàn)橐话愕南蘖髌饎?dòng)時(shí)，選擇的最大限流幅度為5倍，因此要留出一定的余量來(lái)保證正常起動(dòng)時(shí)不至于切斷電路。過(guò)流保護(hù)的具體回路如圖6所示。

圖6過(guò)電流檢測(cè)電路

5、結(jié)論

    本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外軟啟動(dòng)器的研究基礎(chǔ)上對(duì)晶閘管移相交流調(diào)壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了主要的研究。由于傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)存在著降壓效果不明顯、耗能大、有機(jī)械觸點(diǎn)或不能平滑調(diào)節(jié)電壓等缺點(diǎn)。本文采用了高性能控制芯片技術(shù)與電力電子技術(shù)的緊密結(jié)合產(chǎn)生的軟起動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)更靈活的實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)。在滿(mǎn)足異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求及降低起動(dòng)電流的前提下，使電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠起動(dòng)。