基于晶閘管串聯的高壓電動機軟起動裝置系統設計與研究

　　交流異步電動機廣泛地應用于國民經濟的各個領域，異步電機直接起動存在著起動力矩小、起動電流大、對電網沖擊大、起動困難、對機械設備沖擊大、電機使用壽命短、維護工作量大、維護費用高等問題。異步電機軟起動器可減小電動機硬起動引起的電網電壓降，使之不影響與其共網的其它電氣設備的正常運行。可減小電動機的沖擊電流，沖擊電流會造成電動機局部溫升過大，降低電動機壽命；可減小硬起動帶來的機械沖擊力和沖擊力加速對所傳動機械(軸、嚙合齒輪等)的磨損；減少電磁干擾，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行。軟起動使電動機可以起停自如，減少空轉，提高作業率，因而有節能作用。

　　對于電動機的軟起動，大致可分為有級和無級兩種。有級型的軟起動有定子串電抗器降壓、液態電阻降壓、星-三角(y-△)降壓、自耦變壓器降壓和延邊三角形降壓等。無級型軟起動有開關變壓器降壓、磁飽和電抗器降壓、晶閘管串聯降壓軟起動等。由于有級型降壓軟起動的調節存在一定程度的二次電流沖擊，因此對電機的軟起動效果有限。而在無級型軟起動器中，隨著電力電子技術的提高和功率器件的發展以及銅、鐵等原材料價格的大幅上漲，晶閘管串聯式的高壓軟起動裝置越來越被市場所認可。

2　降壓起動原理

　　把三相異步電動機的定子繞組接通到三相電源上，轉子從靜止升速到穩定狀態，這一過程叫起動。在合閘的瞬間，電動機的轉差率為1，起動電流等于堵轉電流，起動轉矩等于堵轉轉矩。隨著轉速升高，起動電流從堵轉電流逐漸下降，最后穩定在某個數值。較高的堵轉轉矩表明電動機能在較大負載下起動，并獲得較大的加速度，但過大的堵轉電流會在供電線路上產生很大的壓降，使電網電壓波動，直接影響到接在該電網上電氣設備的運行。異步電動機的t形等效電路圖如圖1所示。

圖1　電動機t形等效圖

　　電機的轉矩參數表達式如式(1)所示：

　　其中：
　　m為電磁轉矩；
　　s為轉差率；
　　p 為極對數；
　　m1r1x1分別為定子繞組的相數、電阻和電抗；
　　r`2x`2分別為折算到定子側的轉子電阻和電抗。
　　由t形等效電路圖和式(1)可求出合閘時的起動電流(有效值)和起動轉矩，其公式為：

　　由以上分析可以得出，當降低電機定子端電壓時，流經電機的起動電流按正比例下降。電網供給電機的起動電流也相應下降。因而減小了對電網的沖擊。

3　高壓軟起動系統設計

　　3.1　系統綜述

　　高壓電動機軟起動裝置系統框圖如圖2所示。晶閘管串聯的功率單元聯接在三相高壓電網與電動機之間，控制單元根據傳感器傳送回來的信號按事先設定好的起動曲線進行移相調節。控制單元發出的晶閘管觸發信號經光纖傳送到晶閘管觸發單元，用來調整晶閘管的導通角，進而達到調整電壓的目的，使得輸出到電動機上的電壓按照一定曲線緩慢上升，實現電動機的軟起動。當電動機達到額定轉速時，旁路接觸器吸合，電動機處于旁路運行狀態。控制單元仍然進行在線檢測，負責電機的電壓、電流的顯示及各種故障的監測。

圖2　高壓電動機軟起動裝置系統框圖

3.2　晶閘管串聯單元設計

　　由于目前國內市場應用的電動機大多是6kv和10kv電機，做為串接在高壓電網和電動機之間的功率執行器件，單只晶閘管還不足以承受6kv的高壓，雖然單只晶閘管目前已經成熟地發展到單只耐壓6500v，但考慮到電網波動、浪涌及耐壓余量等可靠性因素，在設計6kv高壓軟起動裝置的時候，功率單元采用3只晶閘管串聯的方式來提高耐壓值。同理在設計10kv高壓軟起動裝置的時候采用5只晶閘管串聯組成高壓閥組。

單相6kv高壓晶閘管功率閥組的示意圖如圖3所示。scr1～scr6 為大功率高壓晶閘管，它們每三個串聯后再反并聯組成單相功率串聯閥組，以實現軟起動器對交流電機的控制。這6只晶閘管選用同一廠家、同一型號、同一生產批次的產品，以減小其在生產過程中由于生產工藝的不同而產生的自身特性諸如伏安特性、反向恢復電荷、開關時間和臨界電壓上升率等的差異，影響均壓。r1、r2、r3為靜態均壓電阻，用以實現晶閘管的靜態均壓。靜態均壓電阻選用無感電阻，阻值為晶閘管阻斷狀態等效阻值的1/40，且功率留有足夠大的余量。r4、r5、r6和c1、c2、c3共同組成動態均壓網絡，用以實現動態均壓。通過選擇，各電阻和電容的參數誤差應非常小，電容的取值根據晶閘管的最大反向恢復電荷和最小反向恢復電荷的差值計算求得。均壓過程主要是由電容c完成的。串聯的各只晶閘管開關速度不會完全一致，而會稍有差別。電容c上的電壓在靜態情況下數值相同，在開關過程中，由于電容上的電壓不能突變，加在各只晶閘管上的壓降不會發生跳變。由于開關過程中各只晶閘管中電流不一致所造成的影響由電容c的充放電補償。

圖3　6kv串聯閥組單相示意圖

3.2.1　靜態均壓

　　在晶閘管外加一定電壓，在阻斷狀態時，總有一定的漏電流。串聯時，漏電流最小即漏電阻最大的晶閘管承受的電壓最大。有效的解決辦法就是并聯電阻rj(如圖3中的r1、r2、r3)，稱為均壓電阻。由于rj的阻值比漏電阻小得多，因此管子在正反阻斷時承受的電壓基本相等，通 常數值為：

　　其中，
　　ured為晶閘管額定電壓；
　　idr為靜態重復平均電流；
　　πidr近似為漏電流峰值。
　　均壓電阻的功率可由下式求得：

　　其中，um為作用于元件的正向峰值電壓；
　　n為串聯元件數；
　　krj為系數，單相時取0.25；三相時取0.45；直流時取1。

3.2.2　動態均壓

　　動態均壓是同一橋臂中晶閘管開通和關斷過程中的均壓，即過渡過程中的均壓。靜態均壓電阻rj只能使直流電壓或變化緩慢的電壓均勻分配到各串聯的晶閘管上。開通時，后開通的將瞬時受到較高電壓，關斷時，先關斷的承受全部的換流反向電壓，可能導致反向擊穿。因此，與管子并聯上電容c(如圖3中的c1、c2、c3)。為了防止晶閘管導通瞬間，電容放電造成過大的(di/dt)，還應在c上串聯電阻r(如圖3中的r4、r5、r6)。阻容吸收電路要盡量靠近晶閘管，引線要短，最好用無感電阻。電容耐壓選管子電壓的1-1.5倍。電容的容值可用反向恢復電荷法計算求得。

　　閘管關斷時，其電流正向過零并不立即恢復其阻斷狀態，由于反向恢復電荷的存在，晶閘管中形成一個反向恢復電流itr。反向恢復電荷由下式得出：

　　其中，tr2為反向阻斷恢復時間。

　　反向恢復電荷決定了串聯閥組中每個晶閘管所承受的阻斷電壓值，當晶閘管反向流過反向漏電流itr時，即恢復了反向阻斷特性，此時關斷過程結束。電容值的計算可由下式得出：

3.3　接口單元設計

　　單元包括電壓傳感器接口、電流傳感器接口、光纖傳送接口、故障檢測接口及人機交互接口等。其中電壓信號采用高阻降壓方式，并考慮到系統兼容性，將電路設計成3kv、6kv、10kv通用，以方便產品生產。電流傳感器采用標準x/5電流互感器加高精度電流霍爾的形式，將信號進行相應處理后送到cpu進行運算。高壓與低壓間的信號傳送采用光纖傳輸，既保證信號的實時性及可靠性傳輸，又起動高低壓隔離作用。信號經過接口電路編碼后通過光纖傳送至觸發單元，觸發單元將信號解碼并經過相應處理后用以觸發晶閘管。觸發單元的供電采用高位、低位相結合，每只晶閘管的觸發電源各自獨立。人機接口采用貼膜式軟鍵和液晶顯示屏。液晶顯示屏為4行8列，設計成4級菜單管理模式，可預設中文及英文顯示。

3.4　軟件設計

　　軟件設計是系統控制的核心，直接關系到系統運行的穩定性和可靠性。為了適應各種不同負載的應用，軟件設計上設計了多種不同的起動曲線，包括電壓斜坡起動、限流起動、突跳起動及軟停車曲線等。同時設計完善的保護功能，包括短路保護、過流保護、過壓、欠壓保護、晶閘管過熱保護等。電機的參數及各種保護參數可由用戶根據現場應用情況自行設定。

4　系統實驗

　　系統設計完成后，用6kv/1000kw電機進行了帶載起動實驗。電機額定電壓6kv，額定電流112a，額定轉速1480r/min。起動電流單相波形如圖4所示。從圖中可以看出，起動電流平穩無沖擊，峰值起動電流為額定電流的2.6倍左右，起動時間22s ，電網電壓無明顯波動，達到了良好的起動效果。

圖4　軟起動單相電流波形

5　結束語

　　本系統以晶閘管串聯閥組為主功率執行器件，通過交流調壓來實現電動機的軟起動。系統有控制靈活，操作簡單，起動平穩，運行可靠等特點，可有效緩解電機起動過程中對電網及負載的沖擊，保護電機安全起動和運行。