中高壓軟啟動控制器的設計

王黨樹， 王新霞， 婁嘉南

（西安科技大學a.電氣與控制工程學院；b.理學院，西安710054）

0 引 言

電動機是現代工、農業生產和交通運輸的重要設備，據統計，三相異步電動機動力設備占據一定比例，目前生產現場用到的異步電動機，啟動方式大都采用的是直接啟動，直接啟動方式不需要外圍控制電路、操作簡單且啟動轉矩相對較大［1］。因此在電網允許條件下，大部分電動機依然采用的是直接啟動［2］。異步電動機在額定電壓下直接啟動時的啟動電流約為額定電流的5 ～7 倍。由于啟動電流大，會使電網電壓短時間內降落很多，造成電動機起動轉矩減小很多，啟動困難，還影響電網上其他設備的正常運行［3］；同時過大的啟動電流將會在電動機軸上產生過大的電磁轉矩，對電動機的沖擊會造成電動機不同程度的損壞。因此在電動機頻繁啟、停的生產設備中，要獲得較好的啟動曲線，需要在電動機啟動過程中加入軟啟動環節［4］。軟啟動器（soft starter）是一種基于交流調壓器原理，集電動機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的電動機控制裝置。軟啟動器相對于傳統的啟動方式，具有無級調節、沖擊轉矩和沖擊電流小的優點［5］。文獻［6］中利用改變電源電壓頻率實現軟啟動。文獻［7］中引入電流閉環控制，使電動機在啟動過程中保持電流恒定，以確保電動機平穩啟動。目前軟啟動器啟動方式有：限流軟啟動、電壓斜坡軟啟動、轉矩控制軟啟動等方式［8］。本文采用PI 控制器控制的軟啟動方式，相比于其他方式具有抗擾性高、作用速度快、誤差小等優點。

1 晶閘管軟啟動方案

晶閘管軟啟動原理：實時檢測電動機啟動時電流值，送入TMS320F28335 控制器中，并與電動機啟動后平穩運行電流值做差，對該差值進行PI 調節后輸出PWM信號，該信號經整形放大后，在同步信號作用下控制串聯在電源與電動機之間晶閘管的導通，使電動機電壓由零平穩上升至三相異步電動機額定工作電壓，啟動電流在安全值范圍內。

根據啟動原理，晶閘管軟啟動方案如圖1 所示：主要由晶閘管、電壓檢測回路、觸發驅動電路、控制器等組成［9］。此外設計實現故障檢測、過壓、欠壓保護的功能［10］。

圖1 晶閘管軟啟動系統原理框圖

2 軟啟動器的硬件組成

如圖2 所示。利用電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制過電壓［11］。系統主電路是由三組反并聯晶閘管組成的三相調壓電路。在雙向晶閘管和三相電源之間接入接觸器，在軟啟動過程中，接觸器斷開，軟啟動完成后接觸器閉合。同理，在軟停車過程中，接觸器再次斷開，軟啟動器投入到停車運行。為防止過電壓燒壞晶閘管，在每對反并聯的晶閘管兩端并聯阻容吸收回路。

圖2 軟啟動器主電路圖

2.1 同步信號檢測

在三相調壓電路主回路中，觸發角α 的起始位置與軟啟動器的控制有著緊密的聯系。為保證各個晶閘管的觸發脈沖與其陽極電壓保持嚴格的相位關系，同步檢測是軟啟動器設計中必不可少的一個環節［12-13］。同步檢測電路由電壓比較器、光電耦合器等組成，如圖3 所示，電壓比較器采集電壓過零點，當電網電壓由零變正時，比較器輸出高電平，光電耦合器截止，DSP 控制器引腳接收到高電平；同理當電網電壓由正變負時，比較器輸出低電平，光電耦合器導通，DSP控制器引腳接收到低電平。

圖3 同步信號檢測電路圖

2.2 脈沖整形及放大回路

晶閘管的觸發是軟啟動器的重要部分，能否及時、有效的觸發晶閘管是實現軟啟動的關鍵［14］。脈沖整形與放大電路如圖4 所示，由DSP 的PWM 模塊產生具有一定相移的6 路PWM 信號，經三極管放大，脈沖變壓器驅動后，輸出具有一定功率的觸發信號到晶閘管的門極，如果此時晶閘管兩端的電壓為正，則晶閘管在門極控制下導通。圖中D1為反向保護二極管，用于防止Q1關斷時脈沖變壓器釋放磁場儲能所形成反向電壓加到晶閘管的門極。R5、C2可提高抗干擾能力，降低門極輸入阻抗，C2越大，脈沖前沿陡度越差，故C2不宜太大，一般取C2＝0.01 ～0.1 μF，R5＝100 Ω左右。

為了防止脈沖變壓器飽和以及縮短續流時間，續流回路中的二極管的穩壓值應該盡量大一些。脈沖變壓器副邊的二極管回路確保了一組正的脈沖信號輸出。該回路中脈沖變壓器具有功率放大和隔離的作用。

圖4 晶閘管觸發回路

2.3 接觸器控制回路

接觸器控制回路是在軟啟動完成以后，通過接觸器控制回路把軟啟動器從三相工頻電源退出來，使軟啟動器只工作在電動機軟啟動和軟停車時，以提高軟啟動器的使用時間，延長它的壽命。

接觸器控制回路一般需要較大的驅動功率，因此采用的兩級驅動方式，首先通過DSP的輸出驅動繼電器，再通過繼電器驅動三相交流接觸器。DSP 通過三極管驅動繼電器，通過繼電器的動作來控制交流接觸器線圈得電，從而控制通斷［15］。

3 系統主程序

主程序主要完成系統檢測、變量初始化、參數修改、故障診斷、系統保護等任務，如圖5 所示。

3.1 脈沖觸發同步信號程序

觸發模塊與電源周期的同步在脈沖的產生中有著非常重要的作用。只有正確的同步信號才能保證可靠、有效的觸發晶閘管，從而保證軟啟動的順利完成。系統通過中斷子程序觸發晶閘管導通，以確保觸發與電源周期同步。中斷子程序流程圖如圖6 所示。

3.2 限流軟啟動控制算法

在本系統中，針對電動機在不同場合運行所要求的參數不同，簡單的增量式數字PI調節是非常適合的控制方法，即

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷子程序流程圖

式中：un為第n次采樣時刻的計算機輸出值；un-1為第n-1 次采樣時刻的計算機輸出值；en為第n 次采樣時刻輸入的偏差值；en-1為第n -1 次采樣時刻輸入的偏差值；Ki為積分系數；Kp為比例系數。

電流計算子程序通過調用PI 子程序對給定電流信號和反饋電流信號進行PI控制算法運算，其輸出對應晶閘管的觸發角，電流環的兩個輸出限幅值（上限幅和下限幅）對應晶閘管觸發角的最大值和最小值。在觸發角小于功率因數角時，系統事實上已經沒有調壓作用，輸出的下限幅值應該取電動機額定運行時的功率因數φ 值，約為30°，輸出的上限幅值為150°［1］。

在本系統中，電動機啟動的電流限幅值可以設置為1.0 ～4.0In，In可調。電流計算程序如圖7 所示，調節器的比例、積分系數選擇上要綜合動態和靜態來合理設置限流起動過程中的PI 參數，在限流起動時，要求電動機電流在最短的時間內，響應到設置的最大允許電流值，并努力維持該最大允許電流值，PI 參數不能太小，否則電動機電流的響應太慢，甚至無法啟動。

圖7 電流PI程序流程圖

4 仿真與實驗

為驗證設計方案進行了系統仿真，如圖8 所示，主要由三相電源、脈沖發生器、晶閘管、異步電動機、PI控制模塊、測量模塊等組成。圖9 所示為VT14 輸出觸發信號波形和電壓波形。

圖8 Matlab仿真程序圖

圖9 VT14輸出觸發信號波形和電壓波形

在負載容量為PL＝15 kW的條件下，電動機的啟動電流如圖10 所示，軟啟動的峰值電流為30 A，直接啟動電流為118 A，如圖11 所示，通過對比，發現軟啟動電流值比直接啟動電流值顯著降低，對電網的影響也相對較小。

圖10 軟啟動器啟動電流及轉速波形圖

圖11 直接啟動電流波形圖

根據Matlab仿真結果搭建了實物模型進行實驗，采用3 kW，額定轉速為2 900 r／min，額定電流為6 A，額定電壓為380 V的三相異步電動機。啟動電流由原來的6.2IN減小到1.4IN，顯著地降低了對電網的影響。

5 結 語

本文針對電動機直接啟動時由于啟動電流過大引起影響電網波動的現象，提出一種限流PI調節降壓式軟啟動方法。通過對該方法進行仿真得出以下結論：

（1）啟動電壓控制采用PI調節控制，實現了自動調節電動機啟動電流，實現了電機平穩軟啟動；

（2）在相同負載下，電動機直接啟動時會產生5 ～7 倍額定電流強度的起動電流，而用軟啟動方式，啟動電流為額定電流2 倍左右；

（3）通過實驗驗證了本該軟啟動能夠切實減小啟動電流對電網沖擊；

（4）仿真得出電動機啟動電流由原來的7.76IN降低至2.31IN。