【摘 要】 高壓大功率電機(jī)在起動(dòng)時(shí)對(duì)負(fù)載和電網(wǎng)都有比較大的影響。晶閘管串聯(lián)式高壓軟起動(dòng)器以其優(yōu)越的起動(dòng)性能和其他一些優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用。本文通過(guò)高壓軟起動(dòng)器在現(xiàn)場(chǎng)大功率壓縮機(jī)負(fù)載上的應(yīng)用，分析其工作原理，介紹了起動(dòng)功能，對(duì)晶閘管串聯(lián)方式的高壓軟起動(dòng)做了比較全面的介紹。
【關(guān)鍵詞】晶閘管、電動(dòng)機(jī)、觸發(fā)、軟起動(dòng)
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：
（1） 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。
（2） 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：
1．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_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)的晶閘管開通時(shí)間差盡量的小。
晶閘管的開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。總之。為了保證晶閘管閥串工作的可靠性，IG要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IGT。
2．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”效應(yīng)。其主要過(guò)程是在電動(dòng)機(jī)實(shí)行軟停車時(shí)軟起動(dòng)裝置的旁路接觸器斷開，同時(shí)晶閘管開始工作，使電機(jī)電壓逐漸下降，轉(zhuǎn)速降低，達(dá)到軟停車的效果。（如圖7）
圖7 軟起動(dòng)和軟停車全過(guò)程
3.6 泵控起動(dòng)及停車
由于水泵類負(fù)載其相對(duì)特殊的機(jī)械特性，部分軟起動(dòng)廠家針對(duì)泵類負(fù)載的特性曲線專門設(shè)計(jì)了泵控型起動(dòng)和停車方式，該種起動(dòng)方式可以通過(guò)電機(jī)平滑的加速和減速，使離心泵在起動(dòng)和停機(jī)期間降低水錘沖擊。主控電路通過(guò)采集信號(hào)分析電機(jī)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)通過(guò)改變晶閘管導(dǎo)通角來(lái)控制電機(jī)狀態(tài)，從而達(dá)到降低系統(tǒng)受到喘振沖擊的可能性。（圖8）
圖8 泵控起停過(guò)程
4． 軟起動(dòng)在壓縮機(jī)負(fù)載的應(yīng)用效果
在首鋼冷軋廠高壓大功率壓縮機(jī)負(fù)載系統(tǒng)（10KV/3730KW和10KW/2250KW）中，電機(jī)直接起動(dòng)不僅會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，而且對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械維護(hù)也提出了很高的要求。在使用PowerEasy型軟起動(dòng)后，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目的，主要應(yīng)用效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1) 相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)10KV/3730KW的壓縮機(jī)而言，其額定電流為253A，在直接起動(dòng)時(shí)電流會(huì)達(dá)到額定電流的7倍左右。使用了PowerEasy型軟起動(dòng)后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，起動(dòng)模式設(shè)為限流起動(dòng)，限流倍數(shù)為3.2倍，在起動(dòng)時(shí)電流為810A左右，電流控制精確穩(wěn)定。這樣不但降低了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，而且提高了電網(wǎng)安全運(yùn)行水平；從另外一個(gè)方面來(lái)講，相對(duì)減小了電網(wǎng)容量，降低了投資成本，縮短了建設(shè)周期。
2) 在降低了壓縮機(jī)直接起動(dòng)對(duì)電機(jī)本身的沖擊的同時(shí)，又降低了起動(dòng)是對(duì)軸承、管道以及整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械沖擊。因?yàn)殡姍C(jī)直接起動(dòng)加速過(guò)快，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命和可靠性來(lái)說(shuō)都是十分嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而軟起動(dòng)過(guò)程平滑穩(wěn)定，可以有效消除對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和管道的不良影響，減少維護(hù)工作量，延長(zhǎng)了工作壽命。
3) PowerEasy型軟起動(dòng)裝置主回路采用進(jìn)口晶閘管串聯(lián)，功率元件一致性好，在設(shè)計(jì)上留出充分的裕量，連續(xù)起動(dòng)3—5次時(shí)溫升比較小，在50℃之內(nèi)，在惡劣的工作環(huán)境下可以保證很高的可靠性。
4) PowerEasy型軟起動(dòng)裝置主要采用電流閉環(huán)的方式來(lái)對(duì)電動(dòng)機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制與監(jiān)視。在合理的電壓波動(dòng)下起動(dòng)過(guò)程具有良好的一致性。并且軟起動(dòng)本身具有比較完善的保護(hù)系統(tǒng)，可以根據(jù)反饋信號(hào)隨時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)視，充分保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。
5) 在調(diào)試過(guò)程中可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境來(lái)設(shè)置各種保護(hù)參數(shù)和起動(dòng)參數(shù)，可以更好的適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的工況。
6) 體積比較小，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，噪音小。
5． 結(jié)束語(yǔ)
晶閘管串聯(lián)式高壓軟起動(dòng)在壓縮機(jī)等平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載的應(yīng)用方面，能夠有效的改變電機(jī)的起動(dòng)特性，降低起動(dòng)電流，以其優(yōu)越的性能，為電動(dòng)機(jī)提供全面的服務(wù)，保證了整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在降低系統(tǒng)整體的維護(hù)工作量的同時(shí)，晶閘管軟起動(dòng)裝置本身又可以做到免維護(hù)，使整個(gè)生產(chǎn)成本降低，具有較好的投資回報(bào)和社會(huì)效益，符合時(shí)代進(jìn)步的要求，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
