6 kV高壓異步電機(jī)軟起動的硬件設(shè)計

韓 蕾

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)礦山設(shè)備管理中心， 山西 介休 032000）

為了解決高壓異步電機(jī)起動時存在起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的沖擊問題，必須使用輔助裝置。傳統(tǒng)的輔助裝置基本采用降壓起動的方式，如自耦降壓起動、定子串電阻起動、定子串電抗器起動、磁控式起動等[1-5]，但由于它們自身結(jié)構(gòu)性能的限制，仍存在起動電流和機(jī)械沖擊過大的問題，越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)對高壓軟起動的需求。隨著電力電子技術(shù)、集成電路、單片機(jī)微控制技術(shù)和控制算法的不斷發(fā)展進(jìn)步，相關(guān)學(xué)者和研究人員研制出更符合現(xiàn)代高壓軟起動需求的起動設(shè)備，如變頻起動和晶閘管軟起動[6-9]。

1 軟啟動的系統(tǒng)組成

本文設(shè)計的高壓軟起動硬件部分主要包括主電路和控制電路[4-5]。主電路主要由串聯(lián)在各相的晶閘管閥組、晶閘管均壓電路、旁路接觸器等組成，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角度實(shí)現(xiàn)改變加載在6 kV高壓異步電機(jī)兩端的電壓，晶閘管均壓電路分為靜態(tài)、動態(tài)及電容均壓電路，使加在晶閘管閥組上的電壓、電流在安全裕量內(nèi)；而旁路接觸器起到保證晶閘管只在軟起動和軟停車時工作，避免因其長時間工作引起的發(fā)熱問題，同時可以作為軟起動故障時的備用選擇。晶閘管串聯(lián)高壓軟起動裝置的控制電路由晶閘管觸發(fā)模塊、信號(電壓、電流)采集電路、電源電路和人機(jī)界面等組成。在此基礎(chǔ)上，為了豐富軟起動的操控功能還需要附加外接信號輸入和輸出電路、保護(hù)環(huán)節(jié)、通信環(huán)節(jié)等[10-13]。其硬件系統(tǒng)基本組成如圖1所示。下面對各個部分電路做具體的說明。

圖1 軟起動的系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)主電路設(shè)計

2.1 晶闡管胡型號選取

選取晶閘管最主要的就是保證其工作的安全性，首先要有足夠耐壓和耐流能力，其次再考慮價格、大小等其他各方面。晶閘管耐壓選取如式（1）所示。本文以西門子大型特種電機(jī)（山西）有限公司生產(chǎn)的Y系列6 kV高壓異步電機(jī)產(chǎn)品Y500 3-2為例，其額定功率為1 400 kW，額定電流為160 A。

晶閘管的耐壓值如式（1）所示。

式中：USCR為晶閘管耐壓；UN為額定電壓。

本文高壓軟起動應(yīng)用在6 kV系統(tǒng)中，所以晶閘管結(jié)構(gòu)的耐壓水平至少達(dá)到18～23 kV。由于單支晶閘管耐壓水平達(dá)不到要求，因此必須采用每組晶閘管串聯(lián)的形式來分擔(dān)電壓，考慮到性價比、可靠性因素，同時為了避免電路過于復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)盡量減少晶閘管的數(shù)量，所以本文采取的方案為：每相用8只額定電壓為6 000 V的晶閘管兩兩反并聯(lián)后再進(jìn)行串聯(lián)，具體形式如圖2所示。

晶閘管的耐流選取如式（2）所示。

交流電路中反并聯(lián)晶閘管波形系數(shù)kf取值為1.57。仍以西門子大型特種電機(jī)(山西)有限公司生產(chǎn)的Y系列6 kV高壓異步電機(jī)產(chǎn)品Y500 3-2為例，查閱資料可知其額定電流為160 A，本文考慮軟起動后額定電流三倍的裕量為480 A，根據(jù)式（2）得到最大電流值為917 A左右，因此最后選擇的晶閘管電流參數(shù)為1 000 A。

綜上，我們可以采用型號KPl000-60(額定通態(tài)電流1 000 A重復(fù)峰值電壓6 000 V)的晶閘管[6]。此外還必須對其設(shè)計均壓電路以及采取過電壓、過電流等保護(hù)措施。

2.2 晶闡管串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)

由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展的限制以及考慮到性價比的因素，大部分基于晶閘管生產(chǎn)的高壓軟起動基本都采用晶閘管串聯(lián)的方式來提高耐壓等級。晶閘管串聯(lián)電路是本文6 kV高壓異步電機(jī)軟起動系統(tǒng)的主體部分。

2.3 晶闡管串聯(lián)的均壓問題

高壓軟起動三相是由多支晶閘管反并聯(lián)后串聯(lián)組成的，因此電機(jī)的電壓和電流由這些晶閘管共同分擔(dān)，由于各個晶閘管的伏安特性、開通時間等特性的不同，會直接影響它們串并聯(lián)時電壓和電流的均衡。如果均壓效果不好，容易造成同一相上的串聯(lián)晶閘管一連串擊穿的現(xiàn)象。因此在高壓領(lǐng)域解決好晶閘管的串聯(lián)均壓問題至關(guān)重要。

2.3.1 晶闡管靜態(tài)均壓電路設(shè)計

串聯(lián)晶閘管的靜態(tài)均壓電路是要使晶閘管正向阻斷或反向阻斷狀態(tài)時達(dá)到電壓均衡的效果。靜態(tài)均壓首先應(yīng)選用參數(shù)和特性比較一致的晶閘管，此外可以采用每支串聯(lián)晶閘管并聯(lián)一個Ri電阻均壓。Ri的大小比每個晶閘管阻斷時正、反向電阻小很多，這樣每個晶閘管分得的電壓取決于均壓電阻的大小。

2.3.2 晶闡管動態(tài)均壓電路設(shè)計

晶閘管存在著動態(tài)特性和參數(shù)的差異，在其串聯(lián)開通及關(guān)斷時會出現(xiàn)動態(tài)的電壓分配不均的情況。除了選用動態(tài)參數(shù)和特性一致的晶閘管，還應(yīng)采用Rj，Cj并聯(lián)在每支晶閘管作動態(tài)均壓。

2.3.3 晶闡管模塊間的均壓設(shè)計

本文所設(shè)計高壓軟起動主電路如圖2所示，其中K1為用于高壓異步電機(jī)過載保護(hù)的熱繼電器，F(xiàn)U為短路或過電流故障時提供保護(hù)的熔斷器。

3 系統(tǒng)控制電路設(shè)計

圖2 高壓軟起動主電路圖

系統(tǒng)控制電路的主要功能是數(shù)字信號處理器（DSP）根據(jù)信號采集電路的電壓、電流信息來產(chǎn)生晶閘管的觸發(fā)脈沖，改變晶閘管導(dǎo)通角大小，從而達(dá)到控制高壓異步電機(jī)起動電壓的目的，同時能根據(jù)各種電流、電壓、溫度等信息對晶閘管和電機(jī)進(jìn)行各種保護(hù)，還能通過人機(jī)界面對軟起動設(shè)置各種起動參數(shù)，實(shí)時顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，從而保證整個高壓軟起動系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.1 觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

電-光觸發(fā)系統(tǒng)主要由光纖、晶閘管門極觸發(fā)電路及其取能電路構(gòu)成。光纖接收來自低壓控制中心（DSP）的信號然后傳遞給光控晶閘管門極，使其導(dǎo)通，光纖的作用是隔離高低壓，為高壓側(cè)晶閘管和低壓側(cè)控制系統(tǒng)之間提供可靠的通道；晶閘管門極觸發(fā)電路首先接收到光纖信號后，光控晶閘管導(dǎo)通都觸發(fā)主電路中晶閘管的門極，通過不同時間觸發(fā)來控制主電路中晶閘管導(dǎo)通角的大??；取能電路的作用是給晶閘管門極驅(qū)動電路供電使其順利導(dǎo)通。

利用與晶閘管并聯(lián)的RC吸收電路的充放電來儲存釋放電能。光纖控制光控晶閘管的光門使其開通，當(dāng)光控晶閘管開通或截止時，電容C1會充電或者放電。放電電流經(jīng)過電阻R4形成主晶閘管門極獲得強(qiáng)觸發(fā)脈沖，主晶閘管導(dǎo)通。

3.2 信號采集電路

信號采集電路主要作用是對各種信號采集、預(yù)處理，然后反饋回DSP芯片。本文主要采集電壓和電流信號。這兩個信號的采集首先經(jīng)過互感器，再經(jīng)過處理后反饋給控制電路，根據(jù)反饋的信息判斷高壓軟起動及電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)反饋信號來發(fā)出觸發(fā)脈沖、判斷故障并發(fā)出保護(hù)命令等。

1）電壓、電流互感器的選擇。本文所設(shè)計的高壓軟起動對線路上采集的電壓和電流精度有一定要求，一次側(cè)電壓、電流經(jīng)互感器后對取得的電量參數(shù)值會直接影二次側(cè)電壓、電流采樣電路的精度，因此，電壓、電流互感器的選擇也很重要。本文是基于6 kV電壓所設(shè)計的高壓軟起動，涉及的高壓異步電機(jī)額定電流為160 A，因此，本文選用的電壓互感器為博爾電力生產(chǎn)的JDZ9-6型號，精密電流互感器為澤明電子生產(chǎn)的ZMPT107型號。該互感器具有體積小、重量輕、便于安裝等特點(diǎn)，適用于6 kV電力設(shè)備的電壓、電流測量和信號采集等。

2）電壓、電流采樣電路。電壓檢測環(huán)節(jié)通常用來采樣軟起動輸入電壓并提供給保護(hù)模塊，完成過壓、欠壓、缺相等保護(hù)，采樣軟起動輸出電壓并提供給控制環(huán)節(jié)，完成輸出電壓的閉環(huán)調(diào)節(jié)等作用。電壓信號的采樣取自軟起動輸入端，然后經(jīng)電壓傳感器進(jìn)行電平變換和隔離，再經(jīng)整流、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后送入DSP進(jìn)行控制和保護(hù)。

電流檢測環(huán)節(jié)用關(guān)于采樣軟起動輸出電流，參與實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)環(huán)節(jié)，同時，提供給保護(hù)模塊，完成過流、缺相、過載、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)。電流檢測環(huán)節(jié)通常包括電流傳感器和信號變換電路，由于軟起動對于電流采樣的速度和精度要求并不高，故采用主回路中接入電流互感器來采樣電機(jī)的工作電流。

3）同步電壓過零檢測電路。本文需要在特定時刻準(zhǔn)確的對晶閘管導(dǎo)通和關(guān)斷，因此必須設(shè)置同步電壓過零檢測電路，以此來確定晶閘管的觸發(fā)順序及觸發(fā)角的大小。一次測電壓經(jīng)電壓互感器后經(jīng)過零比較器將正弦波變?yōu)榉讲?，以方波跳變點(diǎn)對應(yīng)自然換流點(diǎn)。

3.3 電源電路的設(shè)計

由于本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)內(nèi)部需要多個不同電壓等級的電源，因此先將6 kV電網(wǎng)電壓變?yōu)?20 V交流電壓，再接入控制系統(tǒng)供電，選用的變壓器為上海邦朗機(jī)電設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的SCB10系列變壓器，下面具體說明控制系統(tǒng)內(nèi)部幾個電源電路的設(shè)計。

1）電壓、電流采樣電路的電源電路。電壓和電流采集電路需要的是+5 V和-5 V兩種直流電壓，其具體電路如圖3所示。先將220 V交流變?yōu)? V交流電，整流橋后接電容濾波再送入輸出電壓分別為+5 V和-5 V的穩(wěn)壓器7805和7905，。

圖3 電壓、電流采樣的電源電路

2）主控芯片DSP2812的電源電路。DSP2812采取雙電源供電方式，分別是1.9 V的內(nèi)核電源和3.3 V的I/O電源，3.3 V的I/O電源又分為數(shù)字電源和模擬電源，即數(shù)字3.3V和模擬3.3 V；此外，在上電順序上內(nèi)核應(yīng)先于I/O口上電。本設(shè)計使用TI公司生產(chǎn)的TPS75833和TPS75801，TPS75833芯片可以產(chǎn)生3.3 V電壓，使用輸出電壓可調(diào)的TPS75801穩(wěn)壓器產(chǎn)生1.9 V的電壓，由于兩款芯片都具有使能輸入端，配合外部邏輯電路可控制上電順序。TPS75833使用較為簡單，無需外接反饋電阻，可直接產(chǎn)生穩(wěn)定的3.3 V輸出電壓。

3.4 電機(jī)的保護(hù)電路

高壓異步電機(jī)的保護(hù)主要包括以下幾項：

1）電壓保護(hù)。經(jīng)電壓互感器后，經(jīng)過整流橋?yàn)V波后再送入DSP的A/D引腳，DSP處理后，跟預(yù)先在軟件里設(shè)置的過壓、欠壓數(shù)值對比，做出相應(yīng)的保護(hù)動作。

2）電流保護(hù)。流過高壓異步電機(jī)的電流過大或過小都會對電機(jī)產(chǎn)生不利影響，因此，必須設(shè)置電流保護(hù)。與電機(jī)的電壓保護(hù)類似，經(jīng)電流互感器后，送入整流橋再連到DPS的A/D引腳，與預(yù)先在系統(tǒng)軟件里設(shè)置的過流、過壓數(shù)值比較后，做出相應(yīng)的保護(hù)動作，其保護(hù)電路原理與電壓保護(hù)電路相同。

3）過載保護(hù)。高壓異步電機(jī)通電后，會產(chǎn)生熱量，造成溫度升高，當(dāng)電機(jī)過載時，產(chǎn)生熱量也不斷增加，時間一長，若不采取相應(yīng)保護(hù)措施會造成電機(jī)內(nèi)部線圈過熱，損壞電機(jī)，甚至存在安全隱患，因此需要采取過載保護(hù)。同晶閘管的過熱保護(hù)相同，本文采用電機(jī)線路上加裝熱繼電器的過載保護(hù)方式，如圖2高壓軟起動主電路所示，K1為用于高壓異步電機(jī)過載保護(hù)的熱繼電器。電機(jī)過載時，繼電器動作，同樣觸點(diǎn)連在控制電路中，當(dāng)檢測到超過設(shè)定值時，檢測信號送入DSP，進(jìn)而控制切斷主電路，停止工作。這種方式雖不如電子熱保護(hù)器過載保護(hù)準(zhǔn)確靈活，卻簡單實(shí)用。

4 結(jié)語

本文立足于6 kV高壓異步電機(jī)，對高壓軟起動存在的一些問題，做出分析并得到一定解決，對軟起動裝置的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，針對6 kV高壓異步電機(jī)，對其軟起動硬件電路進(jìn)行整體設(shè)計，包括主電路和控制電路兩部分。研究了主電路中晶閘管串聯(lián)的均壓電路及控制電路中的觸發(fā)電路、信號采集電路、電源電路等。本文所設(shè)計的高壓軟起動裝置，具有多種起動方式，適用范圍廣并且具有強(qiáng)大的保護(hù)功能。