晶閘管軟起動的移相原理

　　摘要:本文介紹了通用晶閘管軟起動控制器的工作原理，該工作原理即移相原理，移相原理是目前所有晶閘管軟起起動器共同采用的控制方式，其控制方式下起動的電機(jī)起動電流較小，起動平穩(wěn)且能夠滿足多種負(fù)載。

　　關(guān)鍵詞:晶閘管觸發(fā)電流功率因數(shù)角

　　1引言

　　三相交流異步電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、運(yùn)行可靠，所以在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但其在直接起動時，會產(chǎn)生過大的起動電流，特別是大功率電機(jī)，大起動電流嚴(yán)重沖擊電網(wǎng)，引起電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，并影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，并且起動轉(zhuǎn)矩造成的機(jī)械沖擊會降低電動機(jī)的壽命。所以起動過程中需要在電機(jī)和電源之間串入軟起動來解決此問題。

　　隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，晶閘管軟起動裝置應(yīng)運(yùn)而生。由于其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，免維護(hù)，安全可靠。全智能控制，功能齊全，菜單豐富。起動重復(fù)性好，保護(hù)周全。所以其正逐步取代傳統(tǒng)的軟起動方式，成為軟起動領(lǐng)域新的領(lǐng)軍人物。

　　本文首先闡述晶閘管軟起動的目前最普遍采用的移相起動方式。

　　2系統(tǒng)概述

　　利用晶閘管的開關(guān)特性，通過晶閘管的觸發(fā)角來改變晶閘管的導(dǎo)通時間，從而控制到晶閘管電機(jī)端的輸出電壓，達(dá)到控制電機(jī)的起動特性。當(dāng)晶閘管的電機(jī)端電壓和輸入端相同的時候即電機(jī)起動過程完畢后，就讓交流接觸器(或斷路器)吸合(如圖1所示意，即QF2吸合)，短路所有的晶閘管，這時電動機(jī)將直接連到電網(wǎng)上。

　　圖1 晶閘管軟起動器主電路原理圖

　　在圖1中，QS為高壓隔離開關(guān)，QF1、QF2為真空斷路器(當(dāng)電流小的時候，QF2有時候也采用接觸器)，SCR為(普通)晶閘管，M為中壓電動機(jī)。QF1伺職主電路的通斷，QF2伺職電力器件的旁路。在SCR軟起動裝置里，SCR共6組，每組含(根據(jù)電壓的高低和可控硅的耐壓值來確定m的值)個相串的SCR。

　　3工作原理

　　3.1功率因數(shù)角

　　由于電機(jī)為感性負(fù)載，所以電流滯后電壓。當(dāng)電壓過零的時候，電流并未過零，要延遲一段時間后才過零，只有在電流過零的時候晶閘管才關(guān)斷。我們把電壓過零點(diǎn)和電流過零點(diǎn)之間的這個角度稱為功率因數(shù)角φ(如圖2所示)。

　　圖2 觸發(fā)角和導(dǎo)通角的關(guān)系

　　3.2導(dǎo)通角和觸發(fā)角

　　(1)導(dǎo)通角和觸發(fā)角

　　當(dāng)晶閘管工作時，其輸出電壓的大小由晶閘管的導(dǎo)通角決定，而導(dǎo)通角又由觸發(fā)角和功率因數(shù)角共同決定。

　　如圖2所示，α為觸發(fā)角，q為導(dǎo)通角。

　　幾個角度之間的關(guān)系為:q=-α+φ

　　(2)初始觸發(fā)角

　　初始觸發(fā)角是給電機(jī)建立電流的必要條件，初始觸發(fā)角一般在40°到60°之間，此值根據(jù)不同的電機(jī)及不同的負(fù)載變化。

　　3.3相序及其檢測

　　(1)相序

　　相序就是相位的順序，是交流電的瞬時值從負(fù)值向正值變化經(jīng)過零值的依次順序。在晶閘管軟起動中，相序檢測極為重要，只有確定相序，才能發(fā)出正確的觸發(fā)脈沖控制晶閘管的導(dǎo)通順序。

　　(2)相序檢測

　　相序檢測是在晶閘管導(dǎo)通前，觸發(fā)脈沖發(fā)出前進(jìn)行的。本系統(tǒng)通過對三相反并聯(lián)晶閘管的管壓降信號的判別來實(shí)現(xiàn)相序檢測。設(shè)A相晶閘管的管壓降信號為Va, B相晶閘管的管壓降信號為Vb ，C相晶閘管的管壓降信號為Vc。在電壓過零時，管壓降為0。管壓降信號Va、 Vb、Vc嚴(yán)格遵守三相交流電相序規(guī)律，信號的周期為180°，各相的相位差為120°。

　　以Va為基準(zhǔn)，當(dāng)Va開始有壓降，此時開始計(jì)時，若60°后到來的信號是Vc，120°后到來的信號是Vb，則可判定為正相序。相反，當(dāng)Va開始有壓降，若60°后到來的信號是Vb，120°后到來的信號是Vc，則可判定為逆相序。

　　3.4脈沖觸發(fā)

　　(1)觸發(fā)同步

　　為了能對主回路的輸出電壓Ud進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，SCR必須接受與SCR主電路具有相同頻率的觸發(fā)信號。在A、B、C三相電路中，正相晶閘管觸發(fā)信號相位相差120°，反相晶閘管觸發(fā)信號相位也相差120°，而同一相中反并聯(lián)的兩個晶閘管的觸發(fā)脈沖相位相差180°。宏觀來看三相交流調(diào)壓電路，是每隔60°控制器發(fā)出一個觸發(fā)脈沖。

　　(2)觸發(fā)脈寬

　　晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的，也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時間，不是一觸即通，只有當(dāng)晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的擎住電流IL以上時，管子才能導(dǎo)通，所以觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有一定的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠導(dǎo)通。例如：一般晶閘管的導(dǎo)通時間在6μs左右，故觸發(fā)脈沖的寬度至少在6μs以上，一般取20～50μs，對于大電感負(fù)載，由于電流上升較慢，觸發(fā)脈沖寬度還應(yīng)加大，否則脈沖終止時主回路電流還未上升到晶閘管的擎任電流以上，則晶閘管又重新關(guān)斷，所以脈沖寬度不應(yīng)小于300μs，通常取1ms，相當(dāng)廣50Hz正弦波的18°電角度。

　　3.5移相調(diào)壓過程

　　由于異步電動機(jī)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中得到，當(dāng)交流調(diào)壓電路帶感性負(fù)載時，只有當(dāng)觸發(fā)角α大于感性負(fù)載的功率因數(shù)角φ時，才能起調(diào)壓的作用，因?yàn)楫?dāng)α<φ時，電流導(dǎo)通的時間將始終保持在180°，其情況和α=φ時一樣，相控不起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qū)挼那闆r下，還會出現(xiàn)只有一個方向的晶閘管在工作，負(fù)載上可能出現(xiàn)直流分量，危害晶閘管的安全。因此在使用相控晶閘管電路時必須采用寬脈沖觸發(fā)或雙窄脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在φ≤α<180°。

　　晶閘管的輸出電壓為介于導(dǎo)通角q 間的波形，改變q角的大小，就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓。q 角與α角和φ角都有關(guān)，對于恒定的負(fù)載阻抗，q角是常量，只要調(diào)整α角就可以改變晶閘管的輸出電壓，但電機(jī)的功率因數(shù)角是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)，在電機(jī)起動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的提升，功率因數(shù)角在不斷變化，因此，對晶閘管觸發(fā)角α的調(diào)整要兼顧φ角的變化情況。只有這樣，才能達(dá)到使電機(jī)輸入電壓按預(yù)定規(guī)律變化的目的。

　　4實(shí)現(xiàn)方案

　　在軟起動過程中，DSP以電流過零點(diǎn)為觸發(fā)條件，DSP每檢測到一次電流過零點(diǎn)就會發(fā)一次觸發(fā)脈沖。首先根據(jù)電機(jī)的參數(shù)特性設(shè)定觸發(fā)角α的初始值，在起動過程中，觸發(fā)角α不斷的前移，直到移動到功率因數(shù)角φ為止，此時觸發(fā)角的值等于功率因數(shù)角。這個時候發(fā)出的觸發(fā)脈沖正好是在電流過零點(diǎn)處，也就是可晶閘管關(guān)斷的時刻。由于觸發(fā)脈沖具有一定寬度，可以持續(xù)到電流過零點(diǎn)以后，所以此刻發(fā)出的觸發(fā)脈沖會使晶閘管全壓導(dǎo)通。晶閘管全壓導(dǎo)通的時刻，也就是軟起動過程結(jié)束的時候，此時就可以投切旁路真空接觸器，來短接晶閘管。為了避免電流的二次沖擊，需要延時一段時間后停止發(fā)出觸發(fā)脈沖，此時整個軟起過程完全結(jié)束。

　　5實(shí)際控制效果

　　本文以功率因數(shù)角作為軟起動的控制依據(jù)，可以實(shí)時的跟蹤電機(jī)的功率因數(shù)的變化，根據(jù)功率因數(shù)的變化來調(diào)整觸發(fā)角度。所以大部分晶閘管軟起動控制方式采用此移相控制方式。本文所介紹的根據(jù)功率因數(shù)角移相的起動方式，在實(shí)際應(yīng)用過程中很好的實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的平滑起動，為用戶提供了滿意的軟起動產(chǎn)品。

　　6結(jié)束語

　　本文介紹了以功率因數(shù)角作為反饋信號來控制電機(jī)的晶閘管移相起動方式，此控制策略能更準(zhǔn)確的判斷出晶閘管的關(guān)斷時刻，由此可以更精確的發(fā)出觸發(fā)脈沖來控制電機(jī)的軟起動過程。