前言

近三十年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無電弧開關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導(dǎo)體開關(guān)器件具有無磨損、壽命長、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)的軟起動提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動方式，是離不開電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展的。目前市場上生產(chǎn)的軟啟動器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動電流仍然為標(biāo)稱電流的3~4倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。

目前在國外，發(fā)達(dá)國家的電動機(jī)軟起動產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動裝置——晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時(shí)，采用變頻裝置。在沒有調(diào)速要求使用的場合下，起動負(fù)載較輕時(shí)一般采用晶閘管軟起動。在重載或負(fù)載功率特別大的時(shí)候，才使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，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)軟起動器；ABB公司生產(chǎn)的PST、PSTB系列電機(jī)軟起動器；施耐德公司的ATS46軟起動器；德國SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART軟起動器等等。目前，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對控制電壓、控制電機(jī)電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準(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，異步電動機(jī)向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。

軟啟動器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來實(shí)現(xiàn)軟啟動、軟停車、實(shí)時(shí)監(jiān)測以及各種保護(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，由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、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機(jī)不宜采用直接啟動的時(shí)候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動、Y-△啟動、自耦變壓器降壓啟動、轉(zhuǎn)子串電阻啟動、晶閘管電子軟啟動、分級變頻軟啟動、兩相變頻調(diào)壓軟啟動等方法。

1、三相異步電動機(jī)的起動過程的分析

為了研究三相異步電動機(jī)的起動時(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)起動時(shí)的電流、起動轉(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。對于電動機(jī)的軟起動而言，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，即可用歸算過的基本方程式推導(dǎo)出異步電動機(jī)的等效電路。三相異步電動機(jī)的T形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖1所示：

圖1 異步電動機(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應(yīng)的勵(lì)磁電阻，xm代表與主磁通相對應(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)電動勢向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量。基于T形等效電路的數(shù)學(xué)模型為：

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

而異步電動機(jī)的起動特性主要表現(xiàn)在起動電流和起動轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面：希望電動機(jī)起動時(shí)能產(chǎn)生足夠的起動轉(zhuǎn)矩，以便帶動負(fù)載快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，也希望起動電流不要太大。因?yàn)樵诠╇娮儔浩鞯娜萘勘容^小的情況下，過大的起動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，軟起動時(shí)，接觸器斷開，軟起動完成后接觸器閉合。軟停車開始時(shí)，接觸器再次打到雙向晶閘管端，軟起動器投入到停車運(yùn)行，如此重復(fù)來完成軟起動和軟停車。在三相電源側(cè)通過隔離電路得到軟起動器同步信號；在晶閘管輸出側(cè)即R、S、T通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過整流電路送入單片機(jī)做故障檢測。而TAl，TA2年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號通過整流電路后轉(zhuǎn)變成電壓信號輸入到控制回路。

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，所以承受過電壓、過電流能力較差，短時(shí)間內(nèi)的過電壓、過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，還必須對過電流，過電壓的發(fā)生采取保護(hù)措施。

(1)過電流保護(hù)

晶閘管設(shè)備發(fā)生過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。針對這些情況，除了用軟件來實(shí)現(xiàn)保護(hù)外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來保護(hù)晶閘管的過電流。

(2)過電壓保護(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。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。即使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，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限制電壓上升率。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械?，所以與電容C串聯(lián)電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。同時(shí)，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。

3、電壓檢測回路設(shè)計(jì)

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

3.1同步信號檢測

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)脈沖與其陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。在電機(jī)軟起動器的設(shè)計(jì)過程中，同步信號檢測是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有準(zhǔn)確的測量出電壓的過零點(diǎn)，才能精確的控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)兩端電壓的無極加載，完成軟起動的功能。采用如圖3所示的電路作為電壓同步信號檢測電路。從圖中可以看出，這個(gè)電路的功能就是將由電源側(cè)來的線電壓正弦信號轉(zhuǎn)為低壓方波信號來供單片機(jī)進(jìn)行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入單片機(jī)處理的，因此要利用一塊光耦對高低壓信號進(jìn)行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。

圖3同步信號檢測電路

工作過程為：由電源側(cè)來的線電壓信號經(jīng)過2個(gè)電阻和1個(gè)二極管，變成半波交流信號，這個(gè)交流信號在正半波時(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；而當(dāng)光耦左側(cè)交流信號處于低電平時(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，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，但這可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡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，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號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，在起動未開始或是開始瞬間，這個(gè)電路就可以檢測到器件電壓零點(diǎn)；另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側(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，還有兩路與之相似的電路檢測V、W相。

圖4電壓反饋回路

4、電流檢測回路設(shè)計(jì)

電流檢測回路包括了電流反饋回路和保護(hù)回路兩方面。通過霍爾傳感器將三相電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，再將這個(gè)電壓信號經(jīng)過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)、故障檢測和過流保護(hù)的依據(jù)。

4.1電流反饋回路

電流反饋信號取自電機(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，將此電流信號經(jīng)過精密電阻得到相應(yīng)的電壓信號。與電壓過/欠電路類似，該信號經(jīng)過三相全波整流、濾波和分壓后得到一個(gè)直流信號，并經(jīng)過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)行軟起動時(shí)的電流反饋信號。電流反饋信號檢測電路如圖5所示。U15為單片機(jī)芯片。

圖5電流檢測電路

4.2過電流保護(hù)電路

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

圖6過電流檢測電路

5、結(jié)論

本文在對國內(nèi)外軟啟動器的研究基礎(chǔ)上對晶閘管移相交流調(diào)壓感應(yīng)電動機(jī)軟起動系統(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)生的軟起動器可以實(shí)現(xiàn)更靈活的實(shí)現(xiàn)降壓起動。在滿足異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩要求及降低起動電流的前提下，使電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠起動。

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