晶閘管軟起動控制器硬件系統設計

楊勇

【摘 要】本文闡述了三相異步電動機晶閘管軟起動的控制原理，并對軟起動器的硬件系統進行了設計，說明了晶閘管軟起動控制器的實用性和優越性。

【關鍵詞】三相異步電動機;晶閘管;軟起動控制器;硬件系統

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。三相異步電動機晶閘管軟起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。所以設計一種優良的晶閘管軟起動控制器具有非常重要的意義。

1 晶閘管軟起動控制原理

軟起動器采用三相反并聯晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟起動器起動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑起動，降低起動電流，避免起動過流跳閘。待電機達到額定轉速時，起動過程結束，軟起動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額 定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。軟起動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟起動過程相反，電壓逐漸降低，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。

2 晶閘管軟起動器硬件系統設計

2.1 軟起動器的硬件結構

軟起動器的主要部分包括主回路、控制回路、驅動電路和保護回路等。主回路主要由并聯的三對反向晶閘管和接觸器組成，通過控制雙向晶閘管閥的導通角實現改變加載在三相異步電動機端電壓的策略;而接觸器的主要作用是在軟起動過程完成后，把雙向晶閘管從三相電源中切除，在軟停車時，將軟起動裝置接到主回路中，通過控制晶閘管閥的導通角調節電動機端電壓實現軟停車。控制回路和驅動保護回路包含了電壓檢測，電流檢測，控制器，晶閘管觸發電路，接觸器驅動，顯示器和輔助開關電源等。

2.1.1 電壓檢測

電壓母線上的高壓電經變壓器后轉變為低壓信號，該低壓信號即電壓檢測電路的信號源。電壓檢測回路實現兩個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣三相電壓的過零時刻，作為晶閘管觸發信號的同步信號;其二是將三相電源電壓信號通過變壓器降壓后轉變成直流信號，再經A/D轉換后送入DSP中，用以電壓負反饋調節，故障檢測，過壓和欠壓保護。

2.1.2 電流檢測

通過霍爾傳感器將三相異步電動機機端三相電流信號轉換成電壓信號，再將這個電壓信號經過A/D轉換后送入到DSP中，用以電流負反饋調節、故障檢測和過流保護。

2.1.3 晶閘管觸發系統

利用DSP給出的控制信號，經脈沖變壓器后送出一定脈寬的脈沖信號驅動晶閘管的導通，并通過控制晶閘管導通角來改變加載在三相異步電動機機端的電壓大小。

2.1.4 晶閘管保護電路

在軟起動功能完成以后，利用DSP給出的控制信號，經驅動電路后驅動接觸器動作，將軟起動器從控制回路中斷開。

2.1.5 控制核心DSP芯片

是系統控制的核心單元，主要負責對檢測信號的處理，晶閘管觸發角的計算，給出晶閘管和接觸器的驅動信號，接收來自上位機的控制信號，反饋數據等。

2.1.6 顯示器

其功能分為兩個部分，一是通過顯示器來設定起動方式、起動初始電壓、恒流起動值、起動時間、軟停車時間等;另外，要通過顯示器來實時顯示三相異步電動機起動、運行的狀態，如電壓、電流、功率因數角等，并且要實時顯示故障狀況，即在發生故障時，顯示出故障的原因，便于檢修和處理。

2.2 軟起動器重要部分的功能以及具體實現方法

2.2.1 過零同步信號采集電路

本系統采用A相電壓過零點為系統的零相位同步。采樣過程為：將A相電壓經濾波電容后進行電壓跟隨，以提高其信號的驅動能力，電壓跟隨后的信號進行過零比較，形成過零同步脈沖信號，該信號輸入到DSP芯片進行A/D采樣及相關運算。

2.2.2 電壓信號采集電路和電流信號采集電路

三相電壓采集電路相同，現僅以A相為例進行介紹。A相電壓經跟隨器后進行半波整流，半波整流后的電壓信號經過濾波回路后的信號即為電壓采樣信號，該信號經DSP運算后，作為電壓反饋控制的反饋量和故障保護的相關判斷量。電流檢測回路，其工作過程為：先用電阻將電流信號轉換為電壓信號，再經過全波整流電路及濾波電路將電壓信號轉換為DSP芯片可以接收和處理的信號。

2.2.3 晶閘管觸發系統

觸發系統是控制器與主電路的連接環節。控制器產生的觸發信號經過光纖傳輸到觸發控制電路板，經過功率放大后施加到開關器件的門極。主電路與控制器的連接都是通過光電耦合來實現主回路與控制部分的電氣隔離。為保證對晶閘管閥的可靠觸發，對晶閘管門極觸發脈沖有如下要求：（1）觸發脈沖應有足夠的功率，觸發脈沖的電壓、電流應大于晶閘管要求的數值并留有一定裕量;（2）觸發脈沖的相位應在規定范圍內移動;（3）觸發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系，使每一周期能在同樣的相位上觸發;該系統中，由控制芯片DSP發出的晶閘管觸發脈沖，經過光耦后通過光纖傳送到脈沖功率放大電路，經該電路功率放大，即滿足觸發脈沖的功率要求后，由脈沖變壓器傳送給晶閘管閥的各個晶閘管的門極，對晶閘管進行觸發。

2.2.4 晶閘管閥結構設計

由于單個晶閘管元件的額定電壓有限，而且晶閘管元件只能單向導通，為了實現連續的調壓，需要用一對反并聯晶閘管元件構成一個晶閘管單元，再將N個晶閘管單元串聯構成晶閘管閥。在考慮晶閘管元件成本的同時，應采用額定參數值大的元件，這樣可以減少元件的串并聯數，簡化閥組的觸發系統和減少均壓等輔助組件。 晶閘管是一種電力半導體器件，固有電氣脆弱性，在使用過程中必須輔助以相應的保護電路對晶閘管元件進行必要的保護。對于晶閘管的串聯實用，必須進行特殊的設計以保證閥的可靠運行。

3 結束語

該軟起動控制器采用單片機進行智能化控制，不但克服了傳統起動方式的弊端，而且從根本上解決了三相異步電動機起動時帶來的問題。該軟起動器是一種集控制、自診斷和保護于一體的小型化，多功能控制器。通過改變控制參數，就能改變三相異步電動機的起動特性，保證負載在要求的起動特性下平滑起動，并降低電動機起動時對電網的沖擊，充分體現了電子軟起動靈活、方便、適應性強的特點。

【參考文獻】

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[責任編輯：楊玉潔]