三相異步電動機(jī)晶閘管軟啟動脈沖觸發(fā)方式及反饋控制量的研究

楊 勇

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林132021）

0 引言

三相異步電動機(jī)直接啟動時電流值可達(dá)額定電流值的4～7倍，如此大的啟動電流會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，引起過大的電壓降落，降低電網(wǎng)電能質(zhì)量并影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行；過大的轉(zhuǎn)矩沖擊又將造成機(jī)械應(yīng)力沖擊，影響電動機(jī)本身及其拖動設(shè)備的使用壽命。三相異步電動機(jī)軟啟動可以有效的控制電動機(jī)的啟動電流，提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，同時可以保護(hù)傳動機(jī)構(gòu)和電動機(jī)。交流調(diào)壓電路因結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠被廣泛應(yīng)用于電動機(jī)軟啟動設(shè)備中。晶閘管調(diào)壓電路的脈沖觸發(fā)方式的選擇以及閉環(huán)控制反饋量的選擇對晶閘管軟起動來說具有非常重要的意義。對交流調(diào)壓電路晶閘管觸發(fā)脈沖進(jìn)行控制以及閉環(huán)控制反饋量的選擇是軟啟動的核心。通過研究晶閘管的觸發(fā)脈沖方式對三相異步電動機(jī)在軟啟動過程中的影響，并對三相異步電動機(jī)軟起動控制系統(tǒng)的反饋控制量進(jìn)行選取，總結(jié)電動機(jī)在啟動過程中的基本表現(xiàn)，最終判斷并總結(jié)觸發(fā)脈沖控制方式的正確性和優(yōu)劣性。下面將分別予以詳細(xì)的分析。

1 晶閘管觸發(fā)角的移相范圍

晶閘管軟起動系統(tǒng)進(jìn)行有效工作的前提是能夠正確地對晶閘管進(jìn)行觸發(fā)，由前面分析可以知道，晶閘管的觸發(fā)角有一定的約束條件，因此，確定晶閘管觸發(fā)角的移相范圍是十分必要的。對于軟起動裝置來說，三相異步電動機(jī)相當(dāng)于感性負(fù)載，而當(dāng)交流調(diào)壓電路帶感性負(fù)載且觸發(fā)角α＜φ時，電流導(dǎo)通的時間將始終保持在1800，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)載上出現(xiàn)直流分量，危害晶閘管的安全，因此觸發(fā)角移相范圍為φ≤α＜180°。從電力電子學(xué)中的分析可知，在帶電感性負(fù)載時這種交流調(diào)壓電路控制角的最大移相范圍為：0°≤α＜150°；綜合以上分析可知，在電壓同步的情況下，觸發(fā)角的范圍為：0°≤α＜150°。

2 三路觸發(fā)和六路觸發(fā)方案

三路觸發(fā)方案即三組反并聯(lián)的晶閘管中，每路反并聯(lián)的一對晶閘管使用同一路脈沖觸發(fā)信號，電路實(shí)現(xiàn)簡單，但其在對正向(負(fù)向)晶閘管觸發(fā)時容易對負(fù)向(正向)晶閘管誤觸發(fā)，這對晶閘管觸發(fā)脈沖的觸發(fā)范圍有了更多的要求，因此會無形中減小觸發(fā)角的控制范圍。六路觸發(fā)方案是三組反并聯(lián)的晶閘管的每個晶閘管獨(dú)自使用一路觸發(fā)脈沖，這樣從觸發(fā)邏輯上來說更加清晰，并可以杜絕誤觸發(fā)，使晶閘管導(dǎo)通角的控制范圍不受誤觸發(fā)的影響。從實(shí)用的角度考慮，三路和六路觸發(fā)方案都能使電路正常工作，本課題從成本節(jié)約的角度考慮，采用三路觸發(fā)脈沖的方案。

3 觸發(fā)脈沖形式

觸發(fā)脈沖的形式主要有以下幾種，電壓同步雙窄脈沖觸發(fā)、電壓同步寬脈沖觸發(fā)、電流同步雙脈沖觸發(fā)等。雙窄脈沖觸發(fā)是用間隔為60°的兩個窄脈沖來觸發(fā)晶閘管的形式，兩個窄脈沖的寬度由晶閘管觸發(fā)角和電流續(xù)流角等來決定。寬脈沖觸發(fā)是用寬度為60°的單脈沖觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)方式。電壓同步雙窄脈沖觸發(fā)是以電壓過零點(diǎn)為零相位點(diǎn)，即以電壓過零點(diǎn)為同步的基準(zhǔn)，采用雙窄脈沖的觸發(fā)方式，該方式由于僅以電源電壓過零點(diǎn)為同步信號，很難保證在負(fù)載功率因數(shù)改變時，使觸發(fā)角大于負(fù)載功率因數(shù)，而當(dāng)觸發(fā)角小于負(fù)載功率因數(shù)角時，第一個脈沖不能起動觸發(fā)作用，而通過一段時間第二個脈沖觸發(fā)了晶閘管，這就造成了誤觸發(fā)。電壓同步單脈沖觸發(fā)方式避免了上一種方法誤觸發(fā)的缺點(diǎn)，由于其觸發(fā)脈沖寬度很大，造成觸發(fā)角可調(diào)范圍變小，這不利于晶閘管觸發(fā)角的調(diào)節(jié)，會影響控制的精度。電流雙脈觸發(fā)，可以保證電壓電流平穩(wěn)的變化，但在起動以前，必須用電壓同步來觸發(fā)，待電流建立以后才能切換到電流同步，并且由于電流易受干擾，該方式存在穩(wěn)定性問題。綜合以上分析，電壓同步的雙脈沖觸發(fā)，具有優(yōu)良的觸發(fā)效果，為克服誤觸發(fā)的缺點(diǎn)，可以采用電流相位，即采用電壓與電流的相位差來作為功率因數(shù)角的估計值，并用此相角來約束晶閘管觸發(fā)角。因此從實(shí)現(xiàn)的簡易性及觸發(fā)的穩(wěn)定性方面來考慮，本文選擇采用電流相位的三路電壓雙脈沖觸發(fā)方案。

4 反饋控制量的研究

對于三相異步電動機(jī)軟起動控制系統(tǒng)的反饋控制量的選取，我們需進(jìn)行以下考慮：

（1）軟起動閉環(huán)控制必須以反饋?zhàn)兞康臋z測難易程度和可重復(fù)性為前提，轉(zhuǎn)速傳感器不易安裝和維護(hù)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩不能直接測量，這些都是構(gòu)建相應(yīng)的閉環(huán)要面對的實(shí)際問題。相反，用電壓互感器測量電壓、用電流互感器測量電流則是成熟的技術(shù)，相對于轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等來說其可靠性、實(shí)用性則相對較高，因此采用電壓或電流為電動機(jī)軟起動閉環(huán)控制的的反饋量是比較合理的。

（2）起動精確模型構(gòu)建的難易程度。好的電壓基準(zhǔn)軌線可以擬合為包括低斜率線性上升斜線、高斜率線性上升斜線和水平線在內(nèi)的幾段折線，但由于以電壓為反饋量的三相異步電動機(jī)軟起動控制的數(shù)學(xué)模型不夠精確，可能出現(xiàn)電動機(jī)電流太大或太小以及中途偏離預(yù)期軌線的情況。與此相反，好的電流基準(zhǔn)軌線卻是比較易于把握的，使反饋控制更為直接，因此將電流作為三相異步電動機(jī)軟起動的反饋控制量是合理的。

（3）直接起動的過流問題，起動失敗的問題，采用電流閉環(huán)時，都可以將其避免。在采用電壓閉環(huán)的時候，則是難以準(zhǔn)確對起動電流進(jìn)行控制的。

綜合考慮以上因素，相對其它閉環(huán)反饋量來說，采用電流為閉環(huán)控制量的效果更好，并且采用電流為反饋量同樣可以實(shí)現(xiàn)包括斜坡電壓起動、轉(zhuǎn)矩突跳起動等起動方式的效果，因此選擇電流作為閉環(huán)控制量具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

5 結(jié)束語

觸發(fā)脈沖的形式主要有電壓同步雙窄脈沖觸發(fā)、電壓同步寬脈沖觸發(fā)、電流同步雙脈沖觸發(fā)等，從實(shí)現(xiàn)的簡易性及觸發(fā)的穩(wěn)定性方面來考慮，本文建議選擇采用電流相位的三路電壓雙脈沖觸發(fā)方案。采用電流為閉環(huán)控制量因其基準(zhǔn)軌線比較易于把握的，使反饋控制更為直接，因此建議將電流作為三相異步電動機(jī)軟起動的反饋控制量更為合理。

［1］戚棟,王寧會．軟啟動移相觸發(fā)電路的設(shè)計及其應(yīng)用[J]．廣州自動化,1995,16(48)：13-15．

［2］甘世紅,褚建新,顧偉,等．高壓異步電動機(jī)軟起動器的簡化等效數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)[J]．電工技術(shù)學(xué)報,2006,21(7)：89-93．