李 峰，王貴鋒

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅蘭州730050）

1 引言

交流異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、高可靠性和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)在各種工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)機(jī)在負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生5倍－10倍額定電流強(qiáng)度的起動(dòng)電流。特別是對(duì)大功率的電動(dòng)機(jī)來說，大起動(dòng)電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊電流，影響其他負(fù)載的正常運(yùn)行，從而引發(fā)故障。停機(jī)時(shí)，傳統(tǒng)的控制方式使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在短時(shí)間內(nèi)由額定轉(zhuǎn)速降為零，會(huì)給設(shè)備帶來沖擊，降低電氣使用壽命。

因此采用電力電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)意義。本文設(shè)計(jì)一種由晶閘管組成的軟起動(dòng)裝置，應(yīng)用晶閘管移相技術(shù)，使加到電動(dòng)機(jī)上的電壓按某一規(guī)律慢慢達(dá)到全電壓。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置控制參數(shù)，可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流與負(fù)載要求得到較好的匹配。使用軟起動(dòng)技術(shù)，在電動(dòng)機(jī)的選型上可以選用容量較小的電動(dòng)機(jī)，也減少了不必要的設(shè)備投資，通過軟停機(jī)技術(shù)，可以避免電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)停機(jī)帶來的沖擊，進(jìn)一步延長(zhǎng)設(shè)備的工作壽命［1］。

2 主電路設(shè)計(jì)

軟起動(dòng)裝置的主電路采用典型的交流調(diào)壓電路，即3組反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成調(diào)壓電路，如圖1所示。本設(shè)計(jì)中異步電動(dòng)機(jī)的額定功率PN為50kW，額定電流ⅠN為100A。

圖1 軟起動(dòng)裝置的主電路

3 控制電路的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)了合適的動(dòng)態(tài)矯正裝置，用來改造系統(tǒng)，使它同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)兩方面的要求［5］。電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器。根據(jù)偏差的比例P、積分I進(jìn)行控制。比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀，而積分調(diào)節(jié)器的輸出包含了輸入偏差量的全部歷史。在模擬過程控制系統(tǒng)中，基本控制回路是簡(jiǎn)單的反饋回路。反饋值與給定值進(jìn)行比較，得到偏差，模擬調(diào)節(jié)器用一定的控制律使操作變量變化，以使偏差趨近于零，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，左邊的6個(gè)方塊是軟起動(dòng)器的6個(gè)環(huán)節(jié)，右邊電機(jī)的傳遞函數(shù)。軟起動(dòng)裝置的6個(gè)環(huán)節(jié)的功能是：環(huán)節(jié)1和2分別是外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器和內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器，它們的調(diào)節(jié)規(guī)律是比例積分PI。環(huán)節(jié)3是觸發(fā)環(huán)節(jié)，提供晶閘管主電路的觸發(fā)脈沖。環(huán)節(jié)4和5為放大環(huán)節(jié)和隔離環(huán)節(jié)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和隔離。環(huán)節(jié)6為晶閘管的主電路。該系統(tǒng)既限制了電流，又使端電壓平穩(wěn)上升。由于是雙閉環(huán)控制，保證了電機(jī)起動(dòng)過程的穩(wěn)定性及可靠性。

圖2 雙閉環(huán)軟起動(dòng)控制過程的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 軟起動(dòng)裝置總體原理圖的設(shè)計(jì)

4.1 電壓反饋電路設(shè)計(jì)

反饋環(huán)節(jié)電壓的獲取，是通過電壓互感器從主電路中獲取電壓，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)的電壓閉環(huán)。電動(dòng)機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行于過電壓狀態(tài)。同樣，由于異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載有輕載和重載的變化過程，若電網(wǎng)電壓不足，重載運(yùn)行時(shí)可能會(huì)因?yàn)闊o法驅(qū)動(dòng)負(fù)載而造成轉(zhuǎn)速下降甚至發(fā)生堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在系統(tǒng)中加入了過壓和欠壓保護(hù)，因此需要電壓檢測(cè)電路。

三相電壓反饋電路如圖3所示，系統(tǒng)工作時(shí)，電壓互感器輸出的UA、UB、UC和三相電壓分別經(jīng)過全橋整流、濾波和分壓后獲得一個(gè)10V的直流電壓信號(hào)，將此信號(hào)作為反饋輸入信號(hào)接到觸發(fā)芯片的電壓反饋端。該電壓反饋信號(hào)既作為系統(tǒng)軟起動(dòng)時(shí)的電壓反饋信號(hào)，又可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的過壓和欠壓保護(hù)信號(hào)。

圖3中的整流電容不能太大（這里取1μF），否則濾波后的電壓變化不夠靈敏，會(huì)產(chǎn)生較大的時(shí)間延時(shí)和誤差。

圖3 電壓反饋電路圖

4.2 電流反饋電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)和過流短路保護(hù)，設(shè)計(jì)了電流檢測(cè)電路，如圖4所示。采用電流互感器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定子端三相定子電流的大小，電流互感器的輸出I′A、IA、IB、IC經(jīng)過全橋整流、濾波和分壓后獲得一個(gè)1V直流電流信號(hào)，將此信號(hào)作為反饋輸入觸發(fā)芯片的電流反饋端作為電流反饋信號(hào)。把輸入的同步電壓信號(hào)改為電流信號(hào)。圖4中的整流電容也取1μF，可調(diào)電阻R的最大值取10kΩ，可以較好地滿足檢測(cè)要求。另外，該電流反饋信號(hào)既作為系統(tǒng)軟起動(dòng)時(shí)的電流反饋信號(hào)，又作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的過流和短路保護(hù)信號(hào)。

圖4 電流反饋電路

4.3 系統(tǒng)總體原理圖的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖5所示。起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，按下起動(dòng)按鈕后，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入軟起動(dòng)階段。通過集成觸發(fā)芯片BSC6M-1三相晶閘管控制觸發(fā)板控制觸發(fā)脈沖，電壓慢慢增加，直到達(dá)到全壓電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。電壓和電流的雙閉環(huán)的實(shí)現(xiàn)是通過電壓、電流互感器，然后經(jīng)過整流、分壓得到反饋信號(hào)。通過給定與反饋的比較，用PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)無靜差控制，使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)中還加入了各種保護(hù)措施，如過電壓、過電流和晶閘管的電壓上升率和電流上升率保護(hù)。

大功率的50kW異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，采用了雙閉環(huán)控制的三相交流調(diào)壓電路；對(duì)于電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制規(guī)律均采用PID控制中的比例積分實(shí)現(xiàn)無靜差控制［7］。晶閘管的觸發(fā)電路采用集成芯片BSC6M-1三相晶閘管控制觸發(fā)板，其各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 50kW異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置電路原理圖

4.4 過電壓保護(hù)

晶閘管整流電路正常工作的最大電壓是線路的峰值電壓，凡是超過這個(gè)峰值電壓的都算是過電壓。過電壓分為操作過電壓及浪涌過電壓兩種，操作過電壓是由變壓器的合閘以及晶閘管元件本身關(guān)斷引起的，浪涌過電壓是由于雷擊等原因從電網(wǎng)侵入的偶然性過電壓，它可能比操作過電壓還要高。對(duì)操作過電壓所設(shè)的保護(hù)措施，也會(huì)對(duì)浪涌過電壓有抑制作用。

如圖6所示為RC阻容吸收電路。軟起動(dòng)裝置在每一相晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收回路進(jìn)行電壓上升率的限制。

圖6 RC阻容吸收電路

4.5 過電流保護(hù)

若過電流數(shù)值較大而切斷電路的時(shí)間又稍長(zhǎng)，則晶閘管因?yàn)闊崛萘啃?huì)產(chǎn)生熱擊穿而損壞，因此必須設(shè)置過電流保護(hù)。在本系統(tǒng)中采用快速熔斷器保護(hù)晶閘管的過電流［10］。采用控制電路中的電流調(diào)節(jié)器或電流截止環(huán)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)發(fā)生過載，電流超過一定數(shù)值時(shí)，通過調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)移動(dòng)觸發(fā)脈沖相位降低整流電壓，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而將過載電流限制在一定數(shù)值之內(nèi)；或通過封鎖信號(hào)封鎖移相觸發(fā)脈沖。

5 結(jié)論

本文采用雙閉環(huán)控制的三相交流調(diào)壓電路設(shè)計(jì)了異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置。對(duì)于電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制規(guī)律采用PID控制中的比例積分實(shí)現(xiàn)無靜差控制。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇主電路晶閘管的耐壓值和額定電流。通過對(duì)三相交流調(diào)壓電路中的6個(gè)晶閘管的相位控制實(shí)現(xiàn)控制電動(dòng)機(jī)的電壓，完成了軟起動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中集成芯片BSC6M-1三相晶閘管控制觸發(fā)器，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，減小了異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊、消除了傳統(tǒng)降壓起動(dòng)設(shè)備的有級(jí)觸點(diǎn)控制對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的沖擊、改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性。根據(jù)該電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)選取了合適的晶閘管元件，內(nèi)環(huán)電流控制及外環(huán)電壓控制采用PI控制，不但限制了電流，又使端電壓平穩(wěn)上升，實(shí)現(xiàn)了交流異步電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)軟起動(dòng)。

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