【摘 要】 高壓大功率電機在起動時對負載和電網(wǎng)都有比較大的影響。晶閘管串聯(lián)式高壓軟起動器以其優(yōu)越的起動性能和其他一些優(yōu)點而廣泛使用。本文通過高壓軟起動器在現(xiàn)場大功率壓縮機負載上的應(yīng)用，分析其工作原理，介紹了起動功能，對晶閘管串聯(lián)方式的高壓軟起動做了比較全面的介紹。
【關(guān)鍵詞】晶閘管、電動機、觸發(fā)、軟起動
1． 引言
交流異步電動機以其構(gòu)造簡單、極高的運行可靠性、極強的環(huán)境適應(yīng)能力和優(yōu)異的拖動性能在我國煤礦、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。但是交流異步電動機致命的缺點是起動沖擊大，會對系統(tǒng)造成不利的影響。主要影響體現(xiàn)在兩個方面：
（1） 電氣方面的問題：
起動時可達5-7倍的額定電流，造成電動機繞組因電流引起過溫，從而加速其絕緣老化，造成供電網(wǎng)電壓波動，影響同電網(wǎng)下其他設(shè)備的正常運行。
（2） 機械方面的問題：
過大的起動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機械沖擊，對被帶動的設(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。造成機械傳動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工作量。
在首鋼冷軋廠制氮生產(chǎn)線空壓機上就遇到了這樣的問題，由于電機功率比較大（10KV/3730KW和10KV/2250KW），首先在起動過程中對電機及壓縮機的機械沖擊比較大，給系統(tǒng)維護增加了工作量；其次電機在直接起動時電網(wǎng)跌落比較嚴重，在電網(wǎng)壓降達到85%時其他設(shè)備就不能正常工作。鑒于以上原因決定使用PowerEasy型晶閘管式軟起動裝置。
2． 晶閘管串聯(lián)高壓軟起動的構(gòu)成及原理
2.1 主回路構(gòu)成
晶閘管串聯(lián)軟起動裝置是結(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)計全數(shù)字智能化的起動設(shè)備。晶閘管串聯(lián)軟起動主回路接線圖如圖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)進線端得電后，通過控制可控硅的導(dǎo)通角以實現(xiàn)對交流三相電源進行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動過程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動裝置切換到旁路狀態(tài)，同時關(guān)閉晶閘管。
圖1 晶閘管串聯(lián)軟起動主回路接線圖
2.2 控制電路
如圖2所示，晶閘管串聯(lián)高壓軟起動裝置的控制電路一般由主控電路、觸發(fā)裝置、信號采集電路和人機界面組成。
圖2 軟起動控制框圖
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)命令通過數(shù)字信號處理器（DSP）來發(fā)出。主控電路可以根據(jù)信號采集電路采集的電壓與電流信號來調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角，從而達到調(diào)整電機電流的作用，實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制，即限流起動。在發(fā)出觸發(fā)脈沖的同時它又可以通過電壓電流溫度等的反饋信號監(jiān)視電機及軟起動裝置本身的運行狀態(tài)，保護整個系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的安全運行。
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，能夠及時準確的導(dǎo)通可控硅。在這里主要存在兩個技術(shù)問題：
1．觸發(fā)脈沖能夠及時準確的觸發(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)動單元類似于一個電流源，能向晶閘管提供一個特別陡直的尖峰電流脈沖，來保證在任何時刻都能夠準確可靠的觸發(fā)晶閘管。所以晶閘管的門極觸發(fā)脈沖特性對晶閘管的正常工作有非常強烈的影響。
在晶閘管串聯(lián)使用時，我們要求相互串聯(lián)的晶閘管盡可能的一起導(dǎo)通，因為開通較慢的可能會承受過電壓而損壞元件，這個時候就要求同組串聯(lián)的晶閘管開通時間差盡量的小。
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，晶閘管開通的時間就越短。所以在電機軟起動領(lǐng)域，絕大多數(shù)廠家都是采用強觸發(fā)方式來觸發(fā)晶閘管。即觸發(fā)脈沖IG的電流幅值大于或等于10IGT，脈沖上升沿時間tr≤1μs。總之。為了保證晶閘管閥串工作的可靠性，IG要遠遠大于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)雖然可靠準確但是價格昂貴，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，但是相對造價要低很多并且觸發(fā)準確可靠，所以在高壓應(yīng)用上是首選，目前市場上的高壓軟起動裝置的觸發(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的高成本，又實現(xiàn)了電氣隔離，避免觸發(fā)信號受到干擾。需要指出的是，高位取能這種方法僅在軟起動過程中適用，而在針對一些泵類負載設(shè)計的軟停車過程中，由于在停止過程的后半段由于主回路中的電流越來越小，會影響到觸發(fā)板上電能的獲取，從而影響到對晶閘管的觸發(fā)。所以一些廠家的晶閘管軟起動裝置在生產(chǎn)具有軟停車功能的產(chǎn)品時會單獨給觸發(fā)系統(tǒng)額外提供電源，這樣就增加了成本。而AB等一些國外公司的軟起動裝置在這方面技術(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繼續(xù)觸發(fā)晶閘管，可以使軟停車的后期停車過程更加平穩(wěn)，減少泵類負載的水錘效應(yīng)對管道和葉輪的沖擊。
2.2.3 信號采集電路和人機界面
信號采集電路主要功能是采集各種信號并進行預(yù)處理，然后把處理過的信號反饋回主控電路。目前主要采集信號有兩種，電壓信號和電流信號，部分軟起動廠家還采集溫度及轉(zhuǎn)速信號。電壓、電流信號一般通過互感器來進行采集，在經(jīng)過處理后反饋回主控制電路，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷電機及軟起動裝置的運行狀態(tài)，發(fā)出觸發(fā)脈沖或者在系統(tǒng)整體運行異常時通過反饋信號判斷故障并發(fā)出保護命令。
人機界面電路一般有液晶屏和鍵盤組成，用來完成用戶的參數(shù)設(shè)置、選擇起動模式以及顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在某些需要遠程控制的工況下，部分軟起動裝置還加裝了遠程通訊模塊。
3． 晶閘管軟起動的起動方式
3.1 全壓起動
在這種狀態(tài)下（圖3），軟起動裝置相當(dāng)一個固態(tài)接觸器，電機和直接起動一樣，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間控制在0.25s以內(nèi)：
圖3 全壓起動
3.2 電壓斜坡起動
該模式是比較長用的起動模式。它通過減少起動力矩的沖擊，實現(xiàn)對電機平滑、連續(xù)無級加速的起動，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)電機的初始轉(zhuǎn)矩，在加速斜坡時間內(nèi)，電機的輸入電壓從設(shè)置的初始轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的電壓線性上升，把傳統(tǒng)的降壓起動變有級為無級，從而可以使電機平滑的起動，減少了機械方面的沖擊。
圖4 電壓斜坡起動
3.3 限流起動
限流起動，顧名思義，就是在電動機起動過程中把起動電流限制到某一設(shè)定電流值以下。主要用在相對較輕負載起動，并且對電網(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，直到其電流達到預(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，電動機的轉(zhuǎn)速也在逐漸上升，到達額定轉(zhuǎn)速。這種起動的優(yōu)點是起動電流較小，可以把電動機起動對電網(wǎng)的沖擊降到最小，并可按照需要進行設(shè)定限流值。但是在設(shè)定電流限值時必須要根據(jù)電動機的初始轉(zhuǎn)矩來設(shè)定，否則設(shè)置過小會起動失敗或燒壞電機。此種起動方式起動時間相對較長。
圖5 限流起動
3.4 突跳起動
這種起動方式主要應(yīng)用在負載相對較重的工作環(huán)境下。在轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)下，在起動的瞬間采用一個突跳轉(zhuǎn)矩用來克服負載的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩在逐漸上升，直至電動機到達正常工作狀態(tài)。這種起動方式的優(yōu)點是可以縮短起動時間，起動較重的負載，但在起動的時候會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，影響同一電網(wǎng)下其他負荷的工作。
圖6 突跳起動
3.5 軟停車
軟停車的實際上就相當(dāng)于相反軟起動過程，主要作用是消除了系統(tǒng)的反慣性沖擊，對于泵類負載來講就是克服了“水錘”效應(yīng)。其主要過程是在電動機實行軟停車時軟起動裝置的旁路接觸器斷開，同時晶閘管開始工作，使電機電壓逐漸下降，轉(zhuǎn)速降低，達到軟停車的效果。（如圖7）
圖7 軟起動和軟停車全過程
3.6 泵控起動及停車
由于水泵類負載其相對特殊的機械特性，部分軟起動廠家針對泵類負載的特性曲線專門設(shè)計了泵控型起動和停車方式，該種起動方式可以通過電機平滑的加速和減速，使離心泵在起動和停機期間降低水錘沖擊。主控電路通過采集信號分析電機的各個運行參數(shù)，同時通過改變晶閘管導(dǎo)通角來控制電機狀態(tài)，從而達到降低系統(tǒng)受到喘振沖擊的可能性。（圖8）
圖8 泵控起停過程
4． 軟起動在壓縮機負載的應(yīng)用效果
在首鋼冷軋廠高壓大功率壓縮機負載系統(tǒng)（10KV/3730KW和10KW/2250KW）中，電機直接起動不僅會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，而且對整個系統(tǒng)的機械維護也提出了很高的要求。在使用PowerEasy型軟起動后，效果良好，達到了預(yù)期的目的，主要應(yīng)用效果體現(xiàn)在以下幾個方面：
1) 相對于現(xiàn)場10KV/3730KW的壓縮機而言，其額定電流為253A，在直接起動時電流會達到額定電流的7倍左右。使用了PowerEasy型軟起動后，根據(jù)現(xiàn)場工況，起動模式設(shè)為限流起動，限流倍數(shù)為3.2倍，在起動時電流為810A左右，電流控制精確穩(wěn)定。這樣不但降低了電動機起動對電網(wǎng)的沖擊，而且提高了電網(wǎng)安全運行水平；從另外一個方面來講，相對減小了電網(wǎng)容量，降低了投資成本，縮短了建設(shè)周期。
2) 在降低了壓縮機直接起動對電機本身的沖擊的同時，又降低了起動是對軸承、管道以及整個系統(tǒng)的機械沖擊。因為電機直接起動加速過快，對傳動系統(tǒng)的壽命和可靠性來說都是十分嚴峻的考驗。而軟起動過程平滑穩(wěn)定，可以有效消除對傳動系統(tǒng)和管道的不良影響，減少維護工作量，延長了工作壽命。
3) PowerEasy型軟起動裝置主回路采用進口晶閘管串聯(lián)，功率元件一致性好，在設(shè)計上留出充分的裕量，連續(xù)起動3—5次時溫升比較小，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型軟起動裝置主要采用電流閉環(huán)的方式來對電動機及整個系統(tǒng)進行控制與監(jiān)視。在合理的電壓波動下起動過程具有良好的一致性。并且軟起動本身具有比較完善的保護系統(tǒng)，可以根據(jù)反饋信號隨時對整個系統(tǒng)進行保護與監(jiān)視，充分保證了系統(tǒng)的安全運行。
5) 在調(diào)試過程中可以根據(jù)現(xiàn)場的工作環(huán)境來設(shè)置各種保護參數(shù)和起動參數(shù)，可以更好的適應(yīng)現(xiàn)場的工況。
6) 體積比較小，機構(gòu)設(shè)計合理，噪音小。
5． 結(jié)束語
晶閘管串聯(lián)式高壓軟起動在壓縮機等平方轉(zhuǎn)矩類負載的應(yīng)用方面，能夠有效的改變電機的起動特性，降低起動電流，以其優(yōu)越的性能，為電動機提供全面的服務(wù)，保證了整個傳動系統(tǒng)運行的可靠性。在降低系統(tǒng)整體的維護工作量的同時，晶閘管軟起動裝置本身又可以做到免維護，使整個生產(chǎn)成本降低，具有較好的投資回報和社會效益，符合時代進步的要求，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。
