可控硅在電動機控制中的應用

趙山

[摘? ? 要]可控硅也稱晶閘管，在自動控制中可控硅比機械式繼電器更適用于負載需要頻繁接通、斷開操作的電路。在三相電動機控制電路中，通常機械式繼電器作為主要控制器件。但在類如管道電伴加熱、電動閥門這樣需要頻繁啟停的負載，機械式繼電器由于反復操作故障率明顯提高;同時電氣觸點操作中會產(chǎn)生電弧，多次操作后將引起觸頭燒毀或短路故障。三相可控硅電源接通、斷開時不產(chǎn)生電弧，適用于防爆場所;可控硅沒有機械式行程動作，壽命長不易損壞;因此性能優(yōu)于機械式繼電器，在現(xiàn)今電動機控制電路中得到廣泛應用。本文對比2種控制方式闡述了可控硅控制的低壓三相380V交流異步電動機電路設計的特點。為保證可控硅在電動機控制回路可靠運行，介紹了幾種在實際工程中保護的應用。通過設置完善的保護電路，確?？煽毓柙陔妱訖C控制中安全可靠運行。

[關鍵詞]可控硅;電動機控制;電路設計

[中圖分類號]TM302 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）08–00–03

Application of SCR in Motor Control

Zhao Shan

[Abstract]SCR is also called thyristor. In automatic control， SCR is more suitable for circuits where the load needs to be switched on and off frequently than mechanical relays. In the three-phase motor control circuit， usually mechanical relays are used as the main control device. However， for loads that require frequent start and stop， such as pipeline electric heating and electric valves， the failure rate of mechanical relays is significantly increased due to repeated operations; at the same time， electrical contact operations will produce arcs， which will cause contacts to burn or burn after multiple operations. Short circuit fault. Three-phase thyristor power supply does not produce arcs when it is switched on and off， and it is suitable for explosion-proof places; thyristors have no mechanical stroke action and have a long life and are not easily damaged; therefore， their performance is better than mechanical relays， which are obtained in current motor control circuits widely used. This article compares the two control methods and expounds the characteristics of the circuit design of low-voltage three-phase 380V AC asynchronous motor controlled by thyristor. In order to ensure the reliable operation of the SCR in the motor control loop， several protection applications in actual engineering are introduced. A complete protection circuit is provided to ensure the safe and reliable operation of SCR components in motor control.

[Keywords]thyristor; motor control; circuit design

1 可控硅常規(guī)應用

1.1 單向可控硅直流電路

圖1中采用單向可控硅控制負載接通斷開狀態(tài)，開關1將負載與直流電源連接，開關2為控制極提供正向觸發(fā)信號。要使可控硅導通，需在它的陽極與陰極之間外加正向電壓，同時在它的控制極與陰極之間輸入一個正向觸發(fā)電壓。電源與可控硅在這種連接方式下，可控硅陽極和控制極相對于陰極所加的都是正向電壓。

在電源與負載接通時控制極通過外加正向觸發(fā)信號使可控硅導通，撤銷信號卻不能使它關斷，單向可控硅導通后要使之截止必須使控制極與陰極之間外加的是反向電壓。在負載回路要使導通的可控硅關斷，可以斷開陽極電源開關1或使陽極電流小于維持導通的最小電流。當可控硅陽極和陰極之間外加的是交流電且控制極沒有接通信號時，只要電壓過零，可控硅便會截止。

1.2 雙向可控硅交流電路

雙向可控硅是將2個單向可控硅反向組合，一只晶閘管的陰極與另一只晶閘管陽極連接，2個控制極短接為一個，就組成了具有輸入極、輸出極、控制極的雙向可控硅。在控制極上加正向或反向電壓可使其正向或反向?qū)ā＿@種裝置可控硅沒有反向耐壓問題，電路簡單，因此特別適合在交流回路替代觸點開關使用。當控制極輸入控制信號時，無論信號是正還是負，均能使加載在輸入、輸出極間的正弦波在一個周期內(nèi)2個可控硅輪流導通半個周期。該電路廣泛運用于單向交流電負載的自動控制中。如工藝上常規(guī)的電伴加熱系統(tǒng)，通過預設管道加熱溫度參數(shù)，在參數(shù)超過設定下限或上限時，向可控硅發(fā)出接通或截止信號，從而控制管道加熱裝置運行。對于溫度要求高、加熱裝置啟停頻繁的場所，可控硅尤為適用。

2 可控硅在三相電動機控制電路中的應用

2.1 繼電器控制的三相交流電動機電路

常規(guī)繼電器控制的三相異步電動機正反轉(zhuǎn)控制電路都采用兩套交流接觸器作為啟動設備。三相電源在兩組接觸器前后端采用換相連接，通過按鈕、中間繼電器或外接控制觸點對接觸器進行操作，不同的接觸器動作使得被操作電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)輸出。電路中在按鈕控制和接觸器動作時都會產(chǎn)生電弧，因此不適用在易燃易爆場合;長期使用后觸頭將老化并灼傷，發(fā)生電動機缺相運行或線路相間短路故障，導致電動機或主接觸器等設備的損壞。

2.2 可控硅控制的三相交流電動機電路

采用可控硅實現(xiàn)三相電動機正反轉(zhuǎn)控制電路如圖2所示。

由多只晶閘管組合而成的三相可控硅，控制電路中設置輸入信號端，動力回路設置電源輸入輸出，通過隔離的弱電信號控制電源與負載的通斷狀態(tài)。該電路主回路通過控制5只大功率雙向可控硅的導通狀態(tài)替代2只分時接通的交流接觸器。控制電路由5只光耦組成，正轉(zhuǎn)命令接通時光耦U11、U12、U13導通，觸發(fā)可控硅Q1、Q3、Q5輸出三相交流電至電動機;反轉(zhuǎn)命令時光耦U21、U22、U13導通，觸發(fā)可控硅Q2、Q4、Q5輸出;通過Q1、Q2和Q3、Q4將A、B相電源換向達到控制電動機正反轉(zhuǎn)的目的。

3 可控硅電路保護設計

常規(guī)接觸器控制電路一般設置短路、過載、欠壓保護。為保障可控硅控制的三相異步電動機電路安全可靠長期運行，也必須設置必要的保護電路。設計的檢測保護電路可采用PLC為邏輯控制中心完成信號采集、報警和聯(lián)鎖。

3.1 過壓欠壓保護

電動機應在額定工況下安全運行，為保證電源電壓符合波動范圍，應在電動機回路設置過壓欠壓保護。對于工況要求較高的電動機采用電壓檢測模塊對電源電壓進行檢測。三相380VAC電路設置電壓波動范圍±7%上限和下限，相電壓過壓上限報警設置235 V，欠壓下限設置205 V，當電壓波動不能滿足額定工況時報警并聯(lián)鎖停止工作。過壓欠壓保護線路保護范圍在電壓檢測點以前的電源端。

3.2 缺相、擊穿保護

電動機等電氣設備中的絕緣是安全運行的重要參數(shù)。斷路器、接觸器等元器件端子線路松脫均會造成電源缺相，電動機缺相運行將導致繞組發(fā)熱，超過允許值會破壞絕緣甚至導致電動機燒毀。設置缺相保護可以有效避免電動機缺相運行，保護范圍在電壓越限報警檢測點至電動機機端。可控硅元件擊穿損壞或性能降低將導致可控硅在未接通情況下輸出端及負載帶電，這時電路應能及時報警提示故障檢修，避免故障擴大。

設置電源缺相、擊穿檢測電路如圖3所示。該電路在電動機端設置檢測點，將機端U、V、W三相電源通過電阻分壓后降至20VAC;再由橋式整流、穩(wěn)壓后輸出24VDC信號進行判斷電源是否存在斷線。該電路用電阻分壓替代常規(guī)微型變壓器降壓更加簡單輕便，低壓電路保持在30 V以下安全電壓。邏輯上在電動機運行時未檢測到信號判斷為缺相;電動機未接通運行時檢測到信號判斷為擊穿。以PLC為核心的檢測邏輯電路判斷電源缺相、擊穿時能及時報警，產(chǎn)生進一步聯(lián)鎖。

3.3 過流保護

電動機內(nèi)部繞組斷線時電源端電壓檢測電路無法檢測。該缺相保護必需通過電流檢測進一步完善，將保護范圍延伸到電動機內(nèi)部。

過流最嚴重的內(nèi)部繞組斷線情況是起動前斷相也就是三相異步電動機靜止狀態(tài)時電源斷一相。這時啟動電動機繞組流過的電流是堵轉(zhuǎn)電流，這個電流約為額定工作電流Ie的4～7倍。電動機斷相運行時持續(xù)發(fā)熱，不及時切斷電源將導致電動機繞組燒毀。電動機額定功率Pe下運行中斷相剩余運行相電流是1.732Ie，在0.58Pe輕載運行中斷相剩余相運行電流正好是Ie。電流檢測模塊檢測三相電流，在電動機出現(xiàn)異常斷相運行情況時，根據(jù)電動機實際工況設置報警動作參數(shù)能夠檢測電動機內(nèi)部斷相情況，有效地保護電動機安全運行。

3.4 可控硅元件保護

（1）負載短路是可控硅損壞的主要原因?？煽毓枋褂脮r，過流或負載短路會造成可控硅永久損壞，可考慮在控制回路中增加快速斷路器或快速熔斷器予以保護。單臺電動機快速熔斷器可按額定工作電流Ie的1.2倍選擇?？焖偃蹟嗥髟诮Y(jié)構(gòu)上與普通熔斷器不同，熔體采用純銀材料并制作成不規(guī)則形狀，配合熔斷器多段石英砂結(jié)構(gòu)更易于切斷短路電流，切斷短路電流時間遠小于普通熔斷器。線路發(fā)生短路故障時，可控硅熱積累未達到損壞極限時快速熔斷器已切斷電源，從而達到保護可控硅元件的目的。

（2）斷態(tài)電壓臨界上升率是可控硅在控制極斷開條件下使可控硅導通的最低電壓上升率。實際應用中可控硅電路在初始送電操作時極易產(chǎn)生過大電壓上升率，此時可控硅控制極無任何控制信號也將誤導通，造成短路并燒毀元件。通常利用阻容電路兩端電壓不能突變的特性在每只雙向可控硅（電動機回路一般5只）兩端并聯(lián)R-C阻容吸收電路，來限制電壓上升率。

（3）采用可控硅開斷感應式電動機時，會出現(xiàn)操作過電壓。對于電感越大的電動機負載，可控硅斷開負載的瞬間操作過電壓就越高。在可控硅至電動機之間線路三相相間裝設三組阻容（33Ω、0.47 μF）吸收元件，可以有效地限制操作過電壓，保護電動機和可控硅絕緣不會擊穿損壞。

4 實際應用

本文設計的電路在近期工程中得到應用。閥門控制采用可控硅控制后，響應命令并產(chǎn)生動作的時間由秒級變?yōu)楹撩爰?，速度比機械式繼電器控制速度快，能夠有效地執(zhí)行系統(tǒng)指令，保障系統(tǒng)安全。電路保護設計能夠有效地保護電動機及可控硅元件絕緣。由于沒有機械式繼電器的行程動作，投入運行后的閥門控制單元故障率很低。同時該單元具有體積小、無噪音的特點，性能優(yōu)于采用繼電器控制電路。

5 結(jié)論

相對于常規(guī)交流接觸器控制的三相異步電動機電路，可控硅為無觸點式開關，無火花可用于防爆場所;無動作部件壽命長、體積小、速度快、運行無噪音;控制信號輸入與可控硅輸出采用光電耦合更利于安全操作;采用PLC或單片機為核心容易設計出滿足各種要求的控制電路。

參考文獻

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