前言

我國軟起動(dòng)技術(shù)起步于上世紀(jì)80年代早期，目前生產(chǎn)電機(jī)啟動(dòng)器的廠家很多，先后也推出了多種品牌的軟起動(dòng)器。但由于國內(nèi)自主開發(fā)和生產(chǎn)的能力相對(duì)較弱，對(duì)國外產(chǎn)品的依賴還是很嚴(yán)重。在技術(shù)上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品尚有一定的差距。所以在整個(gè)軟起動(dòng)器市場上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。目前市場上生產(chǎn)的軟啟動(dòng)器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式啟動(dòng)器是目前使用比較廣泛的啟動(dòng)方式，但它是有級(jí)起動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動(dòng)電流仍然為標(biāo)稱電流的3~4倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。

目前在國外，發(fā)達(dá)國家的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置——晶閘管軟起動(dòng)和兼作軟起動(dòng)的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時(shí)，采用變頻裝置。在沒有調(diào)速要求使用的場合下，起動(dòng)負(fù)載較輕時(shí)一般采用晶閘管軟起動(dòng)。在重載或負(fù)載功率特別大的時(shí)候，才使用變頻軟起動(dòng)。晶閘管軟起動(dòng)裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動(dòng)的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生產(chǎn)的ASTAT智能電機(jī)軟起動(dòng)器；ABB公司生產(chǎn)的PST、PSTB系列電機(jī)軟起動(dòng)器；施耐德公司的ATS46軟起動(dòng)器；德國SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART軟起動(dòng)器等等。目前，國外對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對(duì)控制電壓、控制電機(jī)電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載性能更優(yōu)。另一方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。

軟啟動(dòng)器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車、實(shí)時(shí)監(jiān)測以及各種保護(hù)功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，可以充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，由主控制電路對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著數(shù)字直流PWM調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用，以及采用高性能的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，可以使軟啟動(dòng)器具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1、三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)原理

交流三相異步電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)啟動(dòng)技術(shù)，如定子串電阻/電抗器啟動(dòng)、自耦變壓器降壓啟動(dòng)、星形-三角形降壓啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器啟動(dòng)等，在交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)技術(shù)發(fā)展過程中都有過重要應(yīng)用。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動(dòng)器因?yàn)榫哂行阅芰己谩a(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，使得電子軟啟動(dòng)器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動(dòng)市場中的主流產(chǎn)品。

為了研究三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。在不改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中的物理量和異步電機(jī)的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和繞組的計(jì)算，把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都?xì)w算成和定子繞組一樣，即可用歸算過的基本方程式推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。三相異步電動(dòng)機(jī)的T形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖1所示：

圖1 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路

其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電阻，xm代表與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗。U1為定子電壓向量，E1為定子感應(yīng)電動(dòng)勢向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量?；赥形等效電路的數(shù)學(xué)模型為：

2、軟起動(dòng)的原理及分析

2.1晶閘管調(diào)壓原理

晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)壓；二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個(gè)周波的電源電壓，用改變接通時(shí)間與切斷時(shí)間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。但周波控制用在異步電機(jī)定子上時(shí)，通斷交替的頻率不能太低，一方面會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動(dòng)機(jī)的重起動(dòng)過程。當(dāng)電源切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢頻率將有所變化，當(dāng)斷流時(shí)問隔較長時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場在定子中感應(yīng)的電勢和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會(huì)有很大的差別，這樣就會(huì)出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。采用相位控制時(shí)，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機(jī)中會(huì)引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等不良影響。此外，由于異步電機(jī)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)移相

本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用晶閘管調(diào)壓原理，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子輸入端電壓的大小和相位實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的各種功能。本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用了如圖2所示的主電路。用三組反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在星形接法的電機(jī)三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調(diào)壓性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。

圖2 軟起動(dòng)主回路原理圖

2.2軟起動(dòng)的起動(dòng)方式

軟起動(dòng)器的功能主要是實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停車，而軟停車相當(dāng)于是軟起動(dòng)的逆過程。三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器擁有多種起動(dòng)模式，可以滿足不同的起動(dòng)要求。下面詳細(xì)介紹：

限流起動(dòng)就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中限制其起動(dòng)電流不超過某一設(shè)定值Im的軟起動(dòng)方式，起動(dòng)波形如圖3所示。主要用于輕載起動(dòng)的降壓起動(dòng)，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im，然后保持輸出電流不大于該值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，且可按需要調(diào)整起動(dòng)電流的限定值Im。其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長。該方法應(yīng)用較多，適用于風(fēng)機(jī)，泵類負(fù)載。

圖3 限流啟動(dòng)波形

3、硬件設(shè)計(jì)

3.1主電路的選擇

在晶閘管交流調(diào)壓系統(tǒng)中，晶閘管可以借負(fù)載電流波形過零而自行關(guān)斷，不需另加換流電路，所以其主要優(yōu)點(diǎn)是線路簡單、調(diào)壓裝置體積小，價(jià)格低廉、使用及維修方便。本系統(tǒng)采用晶閘管相控調(diào)壓的技術(shù)，采用圖4所示的主電路，用六個(gè)兩兩反向并聯(lián)的晶閘管串連在電機(jī)主供電回路中。

圖4 交流調(diào)壓主電路

3.2主回路電路

軟起動(dòng)器主回路設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 主回路電路

采用三組反并聯(lián)晶閘管組成調(diào)壓電路。在三組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸器，軟起動(dòng)時(shí)，接觸器斷開，軟起動(dòng)完成后接觸器閉合。軟停車開始時(shí)，接觸器再次打到雙向晶閘管端，軟起動(dòng)器投入到停車運(yùn)行，如此重復(fù)來完成軟起動(dòng)和軟停車。在三相電源側(cè)通過隔離電路得到軟起動(dòng)器同步信號(hào)；在晶閘管輸出側(cè)即R、S、T通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過整流電路送入單片機(jī)做故障檢測。而TAl，TA2年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號(hào)通過整流電路后轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)輸入到控制回路。

4、過電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

一個(gè)優(yōu)秀的過流保護(hù)環(huán)節(jié)應(yīng)該是既能對(duì)過流反應(yīng)迅速，又能夠準(zhǔn)確動(dòng)作。本設(shè)計(jì)的過流保護(hù)和過壓保護(hù)環(huán)節(jié)相似。過流保護(hù)的信號(hào)取自電流反饋回路，整流、濾波電路與電流反饋電路相同。它與設(shè)定值相比較，一旦超過設(shè)定值，則輸出一個(gè)低電平信號(hào)送入輔助單片機(jī)U2的外部中斷口P3.3，然后再由軟件處理，對(duì)過流的晶閘管實(shí)現(xiàn)脈沖封鎖、故障報(bào)警和系統(tǒng)復(fù)位等。對(duì)過電流值的設(shè)定，一般選擇大小為5.5倍的額定電流，這是因?yàn)橐话愕南蘖髌饎?dòng)時(shí)，選擇的最大限流幅度為5倍，因此要留出一定的余量來保證正常起動(dòng)時(shí)不至于切斷電路。過流保護(hù)的具體回路如圖6所示。

圖6 過電流檢測電路

5、觸發(fā)脈沖控制的軟件設(shè)計(jì)

由單片機(jī)產(chǎn)生所需的晶閘管移向觸發(fā)脈沖，必須包括同步電壓檢測環(huán)節(jié)、移相延遲角定時(shí)環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖時(shí)序分配環(huán)節(jié)等部分，它與模擬電路實(shí)現(xiàn)的方法是類似的。

同步檢測信號(hào)在發(fā)生正跳變時(shí)，經(jīng)反相以終端的形式向CPU的INT0提供同步指令。采用CPU內(nèi)部T0定時(shí)器檢測同步信號(hào)的周期，用T1定時(shí)器實(shí)現(xiàn)移相角的定時(shí)控制，P1端口的P1.2~P.7分別用于輸出三相橋式整流電路的觸發(fā)信號(hào)，而P1口的P1.0~P1.1除法指令進(jìn)行采樣。而由于MCS51單片機(jī)在CPU上電復(fù)位期間，所有輸出為高電平，為避免復(fù)位期間所有晶閘管存在驅(qū)動(dòng)信號(hào)，應(yīng)采用低電平為有效觸發(fā)信號(hào)。即當(dāng)端口輸出為低電平時(shí)，經(jīng)外加反相器變?yōu)楦唠娖胶笥|發(fā)晶閘管導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖的寬度也通過定時(shí)器T1來控制。

6、結(jié)論

電機(jī)軟起動(dòng)器將來的發(fā)展方向是更加智能化和多功能化。目前來看，軟起動(dòng)仍以電壓斜坡軟起動(dòng)和限流軟起動(dòng)為主要形式，以后轉(zhuǎn)矩控制的起動(dòng)方式將成為電機(jī)軟起動(dòng)的一種重要起動(dòng)方式。從更長期來看，變頻軟起動(dòng)將成為軟起動(dòng)的主流。這是因?yàn)樽冾l軟起動(dòng)可以在限流(起動(dòng)電流不超過電機(jī)額定電流值)的同時(shí)獲得大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，完成包括軟停車在內(nèi)的各種起動(dòng)功能。

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