晶閘管軟起動(dòng)控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊勇

【摘 要】本文闡述了三相異步電動(dòng)機(jī)晶閘管軟起動(dòng)的控制原理，并對(duì)軟起動(dòng)器的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，說(shuō)明了晶閘管軟起動(dòng)控制器的實(shí)用性和優(yōu)越性。

【關(guān)鍵詞】三相異步電動(dòng)機(jī);晶閘管;軟起動(dòng)控制器;硬件系統(tǒng)

0 引言

三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)電流值可達(dá)額定電流值的4～7倍，如此大的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，引起過(guò)大的電壓降落，降低電網(wǎng)電能質(zhì)量并影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行;過(guò)大的轉(zhuǎn)矩沖擊又將造成機(jī)械應(yīng)力沖擊，影響電動(dòng)機(jī)本身及其拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命。三相異步電動(dòng)機(jī)晶閘管軟起動(dòng)可以有效的控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，同時(shí)可以保護(hù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)。所以設(shè)計(jì)一種優(yōu)良的晶閘管軟起動(dòng)控制器具有非常重要的意義。

1 晶閘管軟起動(dòng)控制原理

軟起動(dòng)器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟起動(dòng)器起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑起動(dòng)，降低起動(dòng)電流，避免起動(dòng)過(guò)流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，軟起動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額 定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟起動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車功能，軟停車與軟起動(dòng)過(guò)程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。

2 晶閘管軟起動(dòng)器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟起動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)

軟起動(dòng)器的主要部分包括主回路、控制回路、驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)回路等。主回路主要由并聯(lián)的三對(duì)反向晶閘管和接觸器組成，通過(guò)控制雙向晶閘管閥的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)改變加載在三相異步電動(dòng)機(jī)端電壓的策略;而接觸器的主要作用是在軟起動(dòng)過(guò)程完成后，把雙向晶閘管從三相電源中切除，在軟停車時(shí)，將軟起動(dòng)裝置接到主回路中，通過(guò)控制晶閘管閥的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)端電壓實(shí)現(xiàn)軟停車。控制回路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)回路包含了電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)，控制器，晶閘管觸發(fā)電路，接觸器驅(qū)動(dòng)，顯示器和輔助開(kāi)關(guān)電源等。

2.1.1 電壓檢測(cè)

電壓母線上的高壓電經(jīng)變壓器后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪盒盘?hào)，該低壓信號(hào)即電壓檢測(cè)電路的信號(hào)源。電壓檢測(cè)回路實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能。其一是同步信號(hào)的檢測(cè)功能，采樣三相電壓的過(guò)零時(shí)刻，作為晶閘管觸發(fā)信號(hào)的同步信號(hào);其二是將三相電源電壓信號(hào)通過(guò)變壓器降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP中，用以電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)，故障檢測(cè)，過(guò)壓和欠壓保護(hù)。

2.1.2 電流檢測(cè)

通過(guò)霍爾傳感器將三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端三相電流信號(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DSP中，用以電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)、故障檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)。

2.1.3 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)

利用DSP給出的控制信號(hào)，經(jīng)脈沖變壓器后送出一定脈寬的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)晶閘管的導(dǎo)通，并通過(guò)控制晶閘管導(dǎo)通角來(lái)改變加載在三相異步電動(dòng)機(jī)機(jī)端的電壓大小。

2.1.4 晶閘管保護(hù)電路

在軟起動(dòng)功能完成以后，利用DSP給出的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)接觸器動(dòng)作，將軟起動(dòng)器從控制回路中斷開(kāi)。

2.1.5 控制核心DSP芯片

是系統(tǒng)控制的核心單元，主要負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的處理，晶閘管觸發(fā)角的計(jì)算，給出晶閘管和接觸器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，接收來(lái)自上位機(jī)的控制信號(hào)，反饋數(shù)據(jù)等。

2.1.6 顯示器

其功能分為兩個(gè)部分，一是通過(guò)顯示器來(lái)設(shè)定起動(dòng)方式、起動(dòng)初始電壓、恒流起動(dòng)值、起動(dòng)時(shí)間、軟停車時(shí)間等;另外，要通過(guò)顯示器來(lái)實(shí)時(shí)顯示三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行的狀態(tài)，如電壓、電流、功率因數(shù)角等，并且要實(shí)時(shí)顯示故障狀況，即在發(fā)生故障時(shí)，顯示出故障的原因，便于檢修和處理。

2.2 軟起動(dòng)器重要部分的功能以及具體實(shí)現(xiàn)方法

2.2.1 過(guò)零同步信號(hào)采集電路

本系統(tǒng)采用A相電壓過(guò)零點(diǎn)為系統(tǒng)的零相位同步。采樣過(guò)程為：將A相電壓經(jīng)濾波電容后進(jìn)行電壓跟隨，以提高其信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，電壓跟隨后的信號(hào)進(jìn)行過(guò)零比較，形成過(guò)零同步脈沖信號(hào)，該信號(hào)輸入到DSP芯片進(jìn)行A/D采樣及相關(guān)運(yùn)算。

2.2.2 電壓信號(hào)采集電路和電流信號(hào)采集電路

三相電壓采集電路相同，現(xiàn)僅以A相為例進(jìn)行介紹。A相電壓經(jīng)跟隨器后進(jìn)行半波整流，半波整流后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波回路后的信號(hào)即為電壓采樣信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)DSP運(yùn)算后，作為電壓反饋控制的反饋量和故障保護(hù)的相關(guān)判斷量。電流檢測(cè)回路，其工作過(guò)程為：先用電阻將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)全波整流電路及濾波電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP芯片可以接收和處理的信號(hào)。

2.2.3 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)

觸發(fā)系統(tǒng)是控制器與主電路的連接環(huán)節(jié)。控制器產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳輸?shù)接|發(fā)控制電路板，經(jīng)過(guò)功率放大后施加到開(kāi)關(guān)器件的門極。主電路與控制器的連接都是通過(guò)光電耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)主回路與控制部分的電氣隔離。為保證對(duì)晶閘管閥的可靠觸發(fā)，對(duì)晶閘管門極觸發(fā)脈沖有如下要求：（1）觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓、電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值并留有一定裕量;（2）觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)移動(dòng);（3）觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路電源必須同步、同頻且具有固定的相位關(guān)系，使每一周期能在同樣的相位上觸發(fā);該系統(tǒng)中，由控制芯片DSP發(fā)出的晶閘管觸發(fā)脈沖，經(jīng)過(guò)光耦后通過(guò)光纖傳送到脈沖功率放大電路，經(jīng)該電路功率放大，即滿足觸發(fā)脈沖的功率要求后，由脈沖變壓器傳送給晶閘管閥的各個(gè)晶閘管的門極，對(duì)晶閘管進(jìn)行觸發(fā)。

2.2.4 晶閘管閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于單個(gè)晶閘管元件的額定電壓有限，而且晶閘管元件只能單向?qū)ǎ瑸榱藢?shí)現(xiàn)連續(xù)的調(diào)壓，需要用一對(duì)反并聯(lián)晶閘管元件構(gòu)成一個(gè)晶閘管單元，再將N個(gè)晶閘管單元串聯(lián)構(gòu)成晶閘管閥。在考慮晶閘管元件成本的同時(shí)，應(yīng)采用額定參數(shù)值大的元件，這樣可以減少元件的串并聯(lián)數(shù)，簡(jiǎn)化閥組的觸發(fā)系統(tǒng)和減少均壓等輔助組件。 晶閘管是一種電力半導(dǎo)體器件，固有電氣脆弱性，在使用過(guò)程中必須輔助以相應(yīng)的保護(hù)電路對(duì)晶閘管元件進(jìn)行必要的保護(hù)。對(duì)于晶閘管的串聯(lián)實(shí)用，必須進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)以保證閥的可靠運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

該軟起動(dòng)控制器采用單片機(jī)進(jìn)行智能化控制，不但克服了傳統(tǒng)起動(dòng)方式的弊端，而且從根本上解決了三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題。該軟起動(dòng)器是一種集控制、自診斷和保護(hù)于一體的小型化，多功能控制器。通過(guò)改變控制參數(shù)，就能改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，保證負(fù)載在要求的起動(dòng)特性下平滑起動(dòng)，并降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，充分體現(xiàn)了電子軟起動(dòng)靈活、方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]