1．引言
交流異步電動(dòng)機(jī)以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、極高的運(yùn)行可靠性、極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和優(yōu)異的拖動(dòng)性能在我國(guó)煤礦、石油、化工、鋼鐵、發(fā)電、供水、水泥建材等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是交流異步電動(dòng)機(jī)致命的缺點(diǎn)是起動(dòng)沖擊大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成不利的影響。主要影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
?。?）電氣方面的問(wèn)題：
起動(dòng)時(shí)可達(dá)5-7倍的額定電流，造成電動(dòng)機(jī)繞組因電流引起過(guò)溫，從而加速其絕緣老化，造成供電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響同電網(wǎng)下其他設(shè)備的正常運(yùn)行。
?。?）機(jī)械方面的問(wèn)題：
過(guò)大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)械沖擊，對(duì)被帶動(dòng)的設(shè)備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機(jī)械傳動(dòng)部件的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命從而增加維護(hù)工作量。
在首鋼冷軋廠制氮生產(chǎn)線空壓機(jī)上就遇到了這樣的問(wèn)題，由于電機(jī)功率比較大（10KV/3730KW和10KV/2250KW），首先在起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電機(jī)及壓縮機(jī)的機(jī)械沖擊比較大，給系統(tǒng)維護(hù)增加了工作量；其次電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)電網(wǎng)跌落比較嚴(yán)重，在電網(wǎng)壓降達(dá)到85%時(shí)其他設(shè)備就不能正常工作。鑒于以上原因決定使用PowerEasy型晶閘管式軟起動(dòng)裝置。
2．晶閘管串聯(lián)高壓軟起動(dòng)的構(gòu)成及原理
2.1 主回路構(gòu)成
晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)裝置是結(jié)合了電力電子技術(shù)、光電技術(shù)控制技術(shù)及微處理技術(shù)而設(shè)計(jì)全數(shù)字智能化的起動(dòng)設(shè)備。晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)主回路接線圖如圖1所示，主要由高壓可控硅串聯(lián)閥組和旁路接觸器組成，其中高壓可控硅串聯(lián)閥組是功率變換執(zhí)行部件，由多只可控硅串并聯(lián)組成，并輔以吸收、均壓箝位電路，保證其在高壓環(huán)境中的可靠性。當(dāng)進(jìn)線端得電后，通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流三相電源進(jìn)行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動(dòng)過(guò)程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動(dòng)裝置切換到旁路狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉晶閘管。
圖1 晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)主回路接線圖
2.2 控制電路
如圖2所示，晶閘管串聯(lián)高壓軟起動(dòng)裝置的控制電路一般由主控電路、觸發(fā)裝置、信號(hào)采集電路和人機(jī)界面組成。
圖2軟起動(dòng)控制框圖
2.2.1主控電路
主控電路的主要由DSP微處理器及CPLD大規(guī)模門陣列組成的數(shù)字電路組成，它的主要功能是產(chǎn)生觸發(fā)晶閘管的脈沖指令，晶閘管的觸發(fā)命令通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)發(fā)出。主控電路可以根據(jù)信號(hào)采集電路采集的電壓與電流信號(hào)來(lái)調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)電流的作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制，即限流起動(dòng)。在發(fā)出觸發(fā)脈沖的同時(shí)它又可以通過(guò)電壓電流溫度等的反饋信號(hào)監(jiān)視電機(jī)及軟起動(dòng)裝置本身的運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
2.2.2觸發(fā)系統(tǒng)
觸發(fā)系統(tǒng)是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵部分，必須具有抗噪聲干擾的能力，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的導(dǎo)通可控硅。在這里主要存在兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題：
?。?）．觸發(fā)脈沖能夠及時(shí)準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管
晶閘管是一種電流控制型雙極型半導(dǎo)體元件，它要求門極的驅(qū)動(dòng)單元類似于一個(gè)電流源，能向晶閘管提供一個(gè)特別陡直的尖峰電流脈沖，來(lái)保證在任何時(shí)刻都能夠準(zhǔn)確可靠的觸發(fā)晶閘管。所以晶閘管的門極觸發(fā)脈沖特性對(duì)晶閘管的正常工作有非常強(qiáng)烈的影響。
在晶閘管串聯(lián)使用時(shí)，我們要求相互串聯(lián)的晶閘管盡可能的一起導(dǎo)通，因?yàn)殚_(kāi)通較慢的可能會(huì)承受過(guò)電壓而損壞元件，這個(gè)時(shí)候就要求同組串聯(lián)的晶閘管開(kāi)通時(shí)間差盡量的小。
晶閘管的開(kāi)通速度主要和門極觸發(fā)脈沖的幅值以及脈沖上升沿的陡度有關(guān)系。也就是說(shuō)門極觸發(fā)脈沖的幅值越大，脈沖上升沿越陡，晶閘管開(kāi)通的時(shí)間就越短。所以在電機(jī)軟起動(dòng)領(lǐng)域，絕大多數(shù)廠家都是采用強(qiáng)觸發(fā)方式來(lái)觸發(fā)晶閘管。即觸發(fā)脈沖IG的電流幅值大于或等于10IGT，脈沖上升沿時(shí)間tr≤1μs?？傊?。為了保證晶閘管閥串工作的可靠性，IG要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IGT。
?。?）．觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)方式
高壓隔離有三種觸發(fā)系統(tǒng)，脈沖變壓器、直接光觸發(fā)和光纖觸發(fā)。脈沖變壓器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是其電磁兼容性差，不適合在高壓環(huán)境下使用；直接光觸發(fā)系統(tǒng)雖然可靠準(zhǔn)確但是價(jià)格昂貴，很少被采用；光纖觸發(fā)系統(tǒng)可靠性好，雖然相比直接光觸發(fā)系統(tǒng)在電路上增加了一些復(fù)雜性，但是相對(duì)造價(jià)要低很多并且觸發(fā)準(zhǔn)確可靠，所以在高壓應(yīng)用上是首選，目前市場(chǎng)上的高壓軟起動(dòng)裝置的觸發(fā)系統(tǒng)基本上都采用光纖觸發(fā)系統(tǒng)。
在高壓軟起動(dòng)中觸發(fā)系統(tǒng)的工作電源一般采取高位取能獲得，即觸發(fā)電路板上的工作電源由動(dòng)態(tài)均壓（即RC吸收回路）上的電容供應(yīng)，這樣既避免使用高耐壓變壓器所帶來(lái)的高成本，又實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，避免觸發(fā)信號(hào)受到干擾。需要指出的是，高位取能這種方法僅在軟起動(dòng)過(guò)程中適用，而在針對(duì)一些泵類負(fù)載設(shè)計(jì)的軟停車過(guò)程中，由于在停止過(guò)程的后半段由于主回路中的電流越來(lái)越小，會(huì)影響到觸發(fā)板上電能的獲取，從而影響到對(duì)晶閘管的觸發(fā)。所以一些廠家的晶閘管軟起動(dòng)裝置在生產(chǎn)具有軟停車功能的產(chǎn)品時(shí)會(huì)單獨(dú)給觸發(fā)系統(tǒng)額外提供電源，這樣就增加了成本。而AB等一些國(guó)外公司的軟起動(dòng)裝置在這方面技術(shù)就比較完善，他們采用了一種叫做低位取能的一種技術(shù)，即在低壓側(cè)采用一個(gè)低壓大功率的變壓器，在觸發(fā)板上采用一套電流感應(yīng)裝置，把變壓器的線穿過(guò)觸發(fā)板上的電流感應(yīng)裝置，在觸發(fā)電路板上獲得感應(yīng)電流，來(lái)充當(dāng)電源的作用，這樣在軟停車的后期觸發(fā)板可以獲取足夠的功率來(lái)繼續(xù)觸發(fā)晶閘管，可以使軟停車的后期停車過(guò)程更加平穩(wěn)，減少泵類負(fù)載的水錘效應(yīng)對(duì)管道和葉輪的沖擊。
2.2.3信號(hào)采集電路和人機(jī)界面
信號(hào)采集電路主要功能是采集各種信號(hào)并進(jìn)行預(yù)處理，然后把處理過(guò)的信號(hào)反饋回主控電路。目前主要采集信號(hào)有兩種，電壓信號(hào)和電流信號(hào)，部分軟起動(dòng)廠家還采集溫度及轉(zhuǎn)速信號(hào)。電壓、電流信號(hào)一般通過(guò)互感器來(lái)進(jìn)行采集，在經(jīng)過(guò)處理后反饋回主控制電路，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷電機(jī)及軟起動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出觸發(fā)脈沖或者在系統(tǒng)整體運(yùn)行異常時(shí)通過(guò)反饋信號(hào)判斷故障并發(fā)出保護(hù)命令。
人機(jī)界面電路一般有液晶屏和鍵盤組成，用來(lái)完成用戶的參數(shù)設(shè)置、選擇起動(dòng)模式以及顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在某些需要遠(yuǎn)程控制的工況下，部分軟起動(dòng)裝置還加裝了遠(yuǎn)程通訊模塊。
3．晶閘管軟起動(dòng)的起動(dòng)方式
3.1全壓起動(dòng)
在這種狀態(tài)下（圖3），軟起動(dòng)裝置相當(dāng)一個(gè)固態(tài)接觸器，電機(jī)和直接起動(dòng)一樣，承受全部的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，一般情況下晶閘管全開(kāi)時(shí)間控制在0.25s以內(nèi)：
圖3 全壓起動(dòng)
3.2電壓斜坡起動(dòng)
該模式是比較長(zhǎng)用的起動(dòng)模式。它通過(guò)減少起動(dòng)力矩的沖擊，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)平滑、連續(xù)無(wú)級(jí)加速的起動(dòng)，從而使齒輪、連軸結(jié)和皮帶的摩擦減小到最低。用戶可以調(diào)節(jié)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)矩，在加速斜坡時(shí)間內(nèi)，電機(jī)的輸入電壓從設(shè)置的初始轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的電壓線性上升，把傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí)，從而可以使電機(jī)平滑的起動(dòng)，減少了機(jī)械方面的沖擊。
圖4 電壓斜坡起動(dòng)
3.3限流起動(dòng)
限流起動(dòng)，顧名思義，就是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中把起動(dòng)電流限制到某一設(shè)定電流值以下。主要用在相對(duì)較輕負(fù)載起動(dòng)，并且對(duì)電網(wǎng)沖擊有一定要求的工況下，其輸入電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，直到其電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值，然后在保證輸出電流不大于電流限值的情況下，改變晶閘管的導(dǎo)通角，逐漸升高電壓，直到額定電壓。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也在逐漸上升，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速。這種起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流較小，可以把電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊降到最小，并可按照需要進(jìn)行設(shè)定限流值。但是在設(shè)定電流限值時(shí)必須要根據(jù)電動(dòng)機(jī)的初始轉(zhuǎn)矩來(lái)設(shè)定，否則設(shè)置過(guò)小會(huì)起動(dòng)失敗或燒壞電機(jī)。此種起動(dòng)方式起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。
圖5 限流起動(dòng)
3.4突跳起動(dòng)
這種起動(dòng)方式主要應(yīng)用在負(fù)載相對(duì)較重的工作環(huán)境下。在轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)下，在起動(dòng)的瞬間采用一個(gè)突跳轉(zhuǎn)矩用來(lái)克服負(fù)載的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩在逐漸上升，直至電動(dòng)機(jī)到達(dá)正常工作狀態(tài)。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是可以縮短起動(dòng)時(shí)間，起動(dòng)較重的負(fù)載，但在起動(dòng)的時(shí)候會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，影響同一電網(wǎng)下其他負(fù)荷的工作。
圖6 突跳起動(dòng)
3.5軟停車
軟停車的實(shí)際上就相當(dāng)于相反軟起動(dòng)過(guò)程，主要作用是消除了系統(tǒng)的反慣性沖擊，對(duì)于泵類負(fù)載來(lái)講就是克服了“水錘&rdq
