三相異步電動機晶閘管軟啟動脈沖觸發方式及反饋控制量的研究

楊 勇

（吉林電子信息職業技術學院機電工程學院，吉林 吉林132021）

0 引言

三相異步電動機直接啟動時電流值可達額定電流值的4～7倍，如此大的啟動電流會對電網造成嚴重的沖擊，引起過大的電壓降落，降低電網電能質量并影響其他設備的正常運行；過大的轉矩沖擊又將造成機械應力沖擊，影響電動機本身及其拖動設備的使用壽命。三相異步電動機軟啟動可以有效的控制電動機的啟動電流，提高電網的供電質量，同時可以保護傳動機構和電動機。交流調壓電路因結構簡單、運行可靠被廣泛應用于電動機軟啟動設備中。晶閘管調壓電路的脈沖觸發方式的選擇以及閉環控制反饋量的選擇對晶閘管軟起動來說具有非常重要的意義。對交流調壓電路晶閘管觸發脈沖進行控制以及閉環控制反饋量的選擇是軟啟動的核心。通過研究晶閘管的觸發脈沖方式對三相異步電動機在軟啟動過程中的影響，并對三相異步電動機軟起動控制系統的反饋控制量進行選取，總結電動機在啟動過程中的基本表現，最終判斷并總結觸發脈沖控制方式的正確性和優劣性。下面將分別予以詳細的分析。

1 晶閘管觸發角的移相范圍

晶閘管軟起動系統進行有效工作的前提是能夠正確地對晶閘管進行觸發，由前面分析可以知道，晶閘管的觸發角有一定的約束條件，因此，確定晶閘管觸發角的移相范圍是十分必要的。對于軟起動裝置來說，三相異步電動機相當于感性負載，而當交流調壓電路帶感性負載且觸發角α＜φ時，電流導通的時間將始終保持在1800，相控不起任何調壓作用，甚至在晶閘管觸發脈沖不夠寬的情況下，還會出現只有一個方向的晶閘管在工作，負載上出現直流分量，危害晶閘管的安全，因此觸發角移相范圍為φ≤α＜180°。從電力電子學中的分析可知，在帶電感性負載時這種交流調壓電路控制角的最大移相范圍為：0°≤α＜150°；綜合以上分析可知，在電壓同步的情況下，觸發角的范圍為：0°≤α＜150°。

2 三路觸發和六路觸發方案

三路觸發方案即三組反并聯的晶閘管中，每路反并聯的一對晶閘管使用同一路脈沖觸發信號，電路實現簡單，但其在對正向(負向)晶閘管觸發時容易對負向(正向)晶閘管誤觸發，這對晶閘管觸發脈沖的觸發范圍有了更多的要求，因此會無形中減小觸發角的控制范圍。六路觸發方案是三組反并聯的晶閘管的每個晶閘管獨自使用一路觸發脈沖，這樣從觸發邏輯上來說更加清晰，并可以杜絕誤觸發，使晶閘管導通角的控制范圍不受誤觸發的影響。從實用的角度考慮，三路和六路觸發方案都能使電路正常工作，本課題從成本節約的角度考慮，采用三路觸發脈沖的方案。

3 觸發脈沖形式

觸發脈沖的形式主要有以下幾種，電壓同步雙窄脈沖觸發、電壓同步寬脈沖觸發、電流同步雙脈沖觸發等。雙窄脈沖觸發是用間隔為60°的兩個窄脈沖來觸發晶閘管的形式，兩個窄脈沖的寬度由晶閘管觸發角和電流續流角等來決定。寬脈沖觸發是用寬度為60°的單脈沖觸發晶閘管的觸發方式。電壓同步雙窄脈沖觸發是以電壓過零點為零相位點，即以電壓過零點為同步的基準，采用雙窄脈沖的觸發方式，該方式由于僅以電源電壓過零點為同步信號，很難保證在負載功率因數改變時，使觸發角大于負載功率因數，而當觸發角小于負載功率因數角時，第一個脈沖不能起動觸發作用，而通過一段時間第二個脈沖觸發了晶閘管，這就造成了誤觸發。電壓同步單脈沖觸發方式避免了上一種方法誤觸發的缺點，由于其觸發脈沖寬度很大，造成觸發角可調范圍變小，這不利于晶閘管觸發角的調節，會影響控制的精度。電流雙脈觸發，可以保證電壓電流平穩的變化，但在起動以前，必須用電壓同步來觸發，待電流建立以后才能切換到電流同步，并且由于電流易受干擾，該方式存在穩定性問題。綜合以上分析，電壓同步的雙脈沖觸發，具有優良的觸發效果，為克服誤觸發的缺點，可以采用電流相位，即采用電壓與電流的相位差來作為功率因數角的估計值，并用此相角來約束晶閘管觸發角。因此從實現的簡易性及觸發的穩定性方面來考慮，本文選擇采用電流相位的三路電壓雙脈沖觸發方案。

4 反饋控制量的研究

對于三相異步電動機軟起動控制系統的反饋控制量的選取，我們需進行以下考慮：

（1）軟起動閉環控制必須以反饋變量的檢測難易程度和可重復性為前提，轉速傳感器不易安裝和維護，電機轉矩不能直接測量，這些都是構建相應的閉環要面對的實際問題。相反，用電壓互感器測量電壓、用電流互感器測量電流則是成熟的技術，相對于轉速、電機轉矩等來說其可靠性、實用性則相對較高，因此采用電壓或電流為電動機軟起動閉環控制的的反饋量是比較合理的。

（2）起動精確模型構建的難易程度。好的電壓基準軌線可以擬合為包括低斜率線性上升斜線、高斜率線性上升斜線和水平線在內的幾段折線，但由于以電壓為反饋量的三相異步電動機軟起動控制的數學模型不夠精確，可能出現電動機電流太大或太小以及中途偏離預期軌線的情況。與此相反，好的電流基準軌線卻是比較易于把握的，使反饋控制更為直接，因此將電流作為三相異步電動機軟起動的反饋控制量是合理的。

（3）直接起動的過流問題，起動失敗的問題，采用電流閉環時，都可以將其避免。在采用電壓閉環的時候，則是難以準確對起動電流進行控制的。

綜合考慮以上因素，相對其它閉環反饋量來說，采用電流為閉環控制量的效果更好，并且采用電流為反饋量同樣可以實現包括斜坡電壓起動、轉矩突跳起動等起動方式的效果，因此選擇電流作為閉環控制量具有很強的實用價值。

5 結束語

觸發脈沖的形式主要有電壓同步雙窄脈沖觸發、電壓同步寬脈沖觸發、電流同步雙脈沖觸發等，從實現的簡易性及觸發的穩定性方面來考慮，本文建議選擇采用電流相位的三路電壓雙脈沖觸發方案。采用電流為閉環控制量因其基準軌線比較易于把握的，使反饋控制更為直接，因此建議將電流作為三相異步電動機軟起動的反饋控制量更為合理。

［1］戚棟,王寧會．軟啟動移相觸發電路的設計及其應用[J]．廣州自動化,1995,16(48)：13-15．

［2］甘世紅,褚建新,顧偉,等．高壓異步電動機軟起動器的簡化等效數學模型和實驗[J]．電工技術學報,2006,21(7)：89-93．