中高壓軟啟動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

王黨樹， 王新霞， 婁嘉南

（西安科技大學(xué)a.電氣與控制工程學(xué)院；b.理學(xué)院，西安710054）

0 引 言

電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，據(jù)統(tǒng)計(jì)，三相異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)力設(shè)備占據(jù)一定比例，目前生產(chǎn)現(xiàn)場用到的異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)方式大都采用的是直接啟動(dòng)，直接啟動(dòng)方式不需要外圍控制電路、操作簡單且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對較大［1］。因此在電網(wǎng)允許條件下，大部分電動(dòng)機(jī)依然采用的是直接啟動(dòng)［2］。異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓下直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流約為額定電流的5 ～7 倍。由于啟動(dòng)電流大，會(huì)使電網(wǎng)電壓短時(shí)間內(nèi)降落很多，造成電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小很多，啟動(dòng)困難，還影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常運(yùn)行［3］；同時(shí)過大的啟動(dòng)電流將會(huì)在電動(dòng)機(jī)軸上產(chǎn)生過大的電磁轉(zhuǎn)矩，對電動(dòng)機(jī)的沖擊會(huì)造成電動(dòng)機(jī)不同程度的損壞。因此在電動(dòng)機(jī)頻繁啟、停的生產(chǎn)設(shè)備中，要獲得較好的啟動(dòng)曲線，需要在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中加入軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)［4］。軟啟動(dòng)器（soft starter）是一種基于交流調(diào)壓器原理，集電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的電動(dòng)機(jī)控制裝置。軟啟動(dòng)器相對于傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式，具有無級調(diào)節(jié)、沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流小的優(yōu)點(diǎn)［5］。文獻(xiàn)［6］中利用改變電源電壓頻率實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。文獻(xiàn)［7］中引入電流閉環(huán)控制，使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中保持電流恒定，以確保電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。目前軟啟動(dòng)器啟動(dòng)方式有：限流軟啟動(dòng)、電壓斜坡軟啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制軟啟動(dòng)等方式［8］。本文采用PI 控制器控制的軟啟動(dòng)方式，相比于其他方式具有抗擾性高、作用速度快、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。

1 晶閘管軟啟動(dòng)方案

晶閘管軟啟動(dòng)原理：實(shí)時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流值，送入TMS320F28335 控制器中，并與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后平穩(wěn)運(yùn)行電流值做差，對該差值進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)后輸出PWM信號，該信號經(jīng)整形放大后，在同步信號作用下控制串聯(lián)在電源與電動(dòng)機(jī)之間晶閘管的導(dǎo)通，使電動(dòng)機(jī)電壓由零平穩(wěn)上升至三相異步電動(dòng)機(jī)額定工作電壓，啟動(dòng)電流在安全值范圍內(nèi)。

根據(jù)啟動(dòng)原理，晶閘管軟啟動(dòng)方案如圖1 所示：主要由晶閘管、電壓檢測回路、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路、控制器等組成［9］。此外設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)故障檢測、過壓、欠壓保護(hù)的功能［10］。

圖1 晶閘管軟啟動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

2 軟啟動(dòng)器的硬件組成

如圖2 所示。利用電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制過電壓［11］。系統(tǒng)主電路是由三組反并聯(lián)晶閘管組成的三相調(diào)壓電路。在雙向晶閘管和三相電源之間接入接觸器，在軟啟動(dòng)過程中，接觸器斷開，軟啟動(dòng)完成后接觸器閉合。同理，在軟停車過程中，接觸器再次斷開，軟啟動(dòng)器投入到停車運(yùn)行。為防止過電壓燒壞晶閘管，在每對反并聯(lián)的晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收回路。

圖2 軟啟動(dòng)器主電路圖

2.1 同步信號檢測

在三相調(diào)壓電路主回路中，觸發(fā)角α 的起始位置與軟啟動(dòng)器的控制有著緊密的聯(lián)系。為保證各個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，同步檢測是軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)［12-13］。同步檢測電路由電壓比較器、光電耦合器等組成，如圖3 所示，電壓比較器采集電壓過零點(diǎn)，當(dāng)電網(wǎng)電壓由零變正時(shí)，比較器輸出高電平，光電耦合器截止，DSP 控制器引腳接收到高電平；同理當(dāng)電網(wǎng)電壓由正變負(fù)時(shí)，比較器輸出低電平，光電耦合器導(dǎo)通，DSP控制器引腳接收到低電平。

圖3 同步信號檢測電路圖

2.2 脈沖整形及放大回路

晶閘管的觸發(fā)是軟啟動(dòng)器的重要部分，能否及時(shí)、有效的觸發(fā)晶閘管是實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的關(guān)鍵［14］。脈沖整形與放大電路如圖4 所示，由DSP 的PWM 模塊產(chǎn)生具有一定相移的6 路PWM 信號，經(jīng)三極管放大，脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)后，輸出具有一定功率的觸發(fā)信號到晶閘管的門極，如果此時(shí)晶閘管兩端的電壓為正，則晶閘管在門極控制下導(dǎo)通。圖中D1為反向保護(hù)二極管，用于防止Q1關(guān)斷時(shí)脈沖變壓器釋放磁場儲(chǔ)能所形成反向電壓加到晶閘管的門極。R5、C2可提高抗干擾能力，降低門極輸入阻抗，C2越大，脈沖前沿陡度越差，故C2不宜太大，一般取C2＝0.01 ～0.1 μF，R5＝100 Ω左右。

為了防止脈沖變壓器飽和以及縮短續(xù)流時(shí)間，續(xù)流回路中的二極管的穩(wěn)壓值應(yīng)該盡量大一些。脈沖變壓器副邊的二極管回路確保了一組正的脈沖信號輸出。該回路中脈沖變壓器具有功率放大和隔離的作用。

圖4 晶閘管觸發(fā)回路

2.3 接觸器控制回路

接觸器控制回路是在軟啟動(dòng)完成以后，通過接觸器控制回路把軟啟動(dòng)器從三相工頻電源退出來，使軟啟動(dòng)器只工作在電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)和軟停車時(shí)，以提高軟啟動(dòng)器的使用時(shí)間，延長它的壽命。

接觸器控制回路一般需要較大的驅(qū)動(dòng)功率，因此采用的兩級驅(qū)動(dòng)方式，首先通過DSP的輸出驅(qū)動(dòng)繼電器，再通過繼電器驅(qū)動(dòng)三相交流接觸器。DSP 通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器，通過繼電器的動(dòng)作來控制交流接觸器線圈得電，從而控制通斷［15］。

3 系統(tǒng)主程序

主程序主要完成系統(tǒng)檢測、變量初始化、參數(shù)修改、故障診斷、系統(tǒng)保護(hù)等任務(wù)，如圖5 所示。

3.1 脈沖觸發(fā)同步信號程序

觸發(fā)模塊與電源周期的同步在脈沖的產(chǎn)生中有著非常重要的作用。只有正確的同步信號才能保證可靠、有效的觸發(fā)晶閘管，從而保證軟啟動(dòng)的順利完成。系統(tǒng)通過中斷子程序觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，以確保觸發(fā)與電源周期同步。中斷子程序流程圖如圖6 所示。

3.2 限流軟啟動(dòng)控制算法

在本系統(tǒng)中，針對電動(dòng)機(jī)在不同場合運(yùn)行所要求的參數(shù)不同，簡單的增量式數(shù)字PI調(diào)節(jié)是非常適合的控制方法，即

圖5 主程序流程圖

圖6 中斷子程序流程圖

式中：un為第n次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；un-1為第n-1 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；en為第n 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；en-1為第n -1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；Ki為積分系數(shù)；Kp為比例系數(shù)。

電流計(jì)算子程序通過調(diào)用PI 子程序?qū)o定電流信號和反饋電流信號進(jìn)行PI控制算法運(yùn)算，其輸出對應(yīng)晶閘管的觸發(fā)角，電流環(huán)的兩個(gè)輸出限幅值（上限幅和下限幅）對應(yīng)晶閘管觸發(fā)角的最大值和最小值。在觸發(fā)角小于功率因數(shù)角時(shí)，系統(tǒng)事實(shí)上已經(jīng)沒有調(diào)壓作用，輸出的下限幅值應(yīng)該取電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)φ 值，約為30°，輸出的上限幅值為150°［1］。

在本系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的電流限幅值可以設(shè)置為1.0 ～4.0In，In可調(diào)。電流計(jì)算程序如圖7 所示，調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)選擇上要綜合動(dòng)態(tài)和靜態(tài)來合理設(shè)置限流起動(dòng)過程中的PI 參數(shù)，在限流起動(dòng)時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)電流在最短的時(shí)間內(nèi)，響應(yīng)到設(shè)置的最大允許電流值，并努力維持該最大允許電流值，PI 參數(shù)不能太小，否則電動(dòng)機(jī)電流的響應(yīng)太慢，甚至無法啟動(dòng)。

圖7 電流PI程序流程圖

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，如圖8 所示，主要由三相電源、脈沖發(fā)生器、晶閘管、異步電動(dòng)機(jī)、PI控制模塊、測量模塊等組成。圖9 所示為VT14 輸出觸發(fā)信號波形和電壓波形。

圖8 Matlab仿真程序圖

圖9 VT14輸出觸發(fā)信號波形和電壓波形

在負(fù)載容量為PL＝15 kW的條件下，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流如圖10 所示，軟啟動(dòng)的峰值電流為30 A，直接啟動(dòng)電流為118 A，如圖11 所示，通過對比，發(fā)現(xiàn)軟啟動(dòng)電流值比直接啟動(dòng)電流值顯著降低，對電網(wǎng)的影響也相對較小。

圖10 軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電流及轉(zhuǎn)速波形圖

圖11 直接啟動(dòng)電流波形圖

根據(jù)Matlab仿真結(jié)果搭建了實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用3 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 900 r／min，額定電流為6 A，額定電壓為380 V的三相異步電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)電流由原來的6.2IN減小到1.4IN，顯著地降低了對電網(wǎng)的影響。

5 結(jié) 語

本文針對電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)由于啟動(dòng)電流過大引起影響電網(wǎng)波動(dòng)的現(xiàn)象，提出一種限流PI調(diào)節(jié)降壓式軟啟動(dòng)方法。通過對該方法進(jìn)行仿真得出以下結(jié)論：

（1）啟動(dòng)電壓控制采用PI調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)軟啟動(dòng)；

（2）在相同負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生5 ～7 倍額定電流強(qiáng)度的起動(dòng)電流，而用軟啟動(dòng)方式，啟動(dòng)電流為額定電流2 倍左右；

（3）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本該軟啟動(dòng)能夠切實(shí)減小啟動(dòng)電流對電網(wǎng)沖擊；

（4）仿真得出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流由原來的7.76IN降低至2.31IN。