摘要:本文介紹了通用晶閘管軟起動(dòng)控制器的工作原理，該工作原理即移相原理，移相原理是目前所有晶閘管軟起起動(dòng)器共同采用的控制方式，其控制方式下起動(dòng)的電機(jī)起動(dòng)電流較小，起動(dòng)平穩(wěn)且能夠滿足多種負(fù)載。

　　關(guān)鍵詞:晶閘管觸發(fā)電流功率因數(shù)角

　　1引言

　　三相交流異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠，所以在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但其在直接起動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生過大的起動(dòng)電流，特別是大功率電機(jī)，大起動(dòng)電流嚴(yán)重沖擊電網(wǎng)，引起電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，并影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，并且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩造成的機(jī)械沖擊會(huì)降低電動(dòng)機(jī)的壽命。所以起動(dòng)過程中需要在電機(jī)和電源之間串入軟起動(dòng)來解決此問題。

　　隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，晶閘管軟起動(dòng)裝置應(yīng)運(yùn)而生。由于其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，免維護(hù)，安全可靠。全智能控制，功能齊全，菜單豐富。起動(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全。所以其正逐步取代傳統(tǒng)的軟起動(dòng)方式，成為軟起動(dòng)領(lǐng)域新的領(lǐng)軍人物。

　　本文首先闡述晶閘管軟起動(dòng)的目前最普遍采用的移相起動(dòng)方式。

　　2系統(tǒng)概述

　　利用晶閘管的開關(guān)特性，通過晶閘管的觸發(fā)角來改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制到晶閘管電機(jī)端的輸出電壓，達(dá)到控制電機(jī)的起動(dòng)特性。當(dāng)晶閘管的電機(jī)端電壓和輸入端相同的時(shí)候即電機(jī)起動(dòng)過程完畢后，就讓交流接觸器（或斷路器）吸合（如圖1所示意，即QF2吸合），短路所有的晶閘管，這時(shí)電動(dòng)機(jī)將直接連到電網(wǎng)上。

圖1 晶閘管軟起動(dòng)器主電路原理圖

　　在圖1中，QS為高壓隔離開關(guān)，QF1、QF2為真空斷路器(當(dāng)電流小的時(shí)候，QF2有時(shí)候也采用接觸器），SCR為（普通）晶閘管，M為中壓電動(dòng)機(jī)。QF1伺職主電路的通斷，QF2伺職電力器件的旁路。在SCR軟起動(dòng)裝置里，SCR共6組，每組含（根據(jù)電壓的高低和可控硅的耐壓值來確定m的值）個(gè)相串的SCR。

　　3工作原理

　　3.1功率因數(shù)角

　　由于電機(jī)為感性負(fù)載，所以電流滯后電壓。當(dāng)電壓過零的時(shí)候，電流并未過零，要延遲一段時(shí)間后才過零，只有在電流過零的時(shí)候晶閘管才關(guān)斷。我們把電壓過零點(diǎn)和電流過零點(diǎn)之間的這個(gè)角度稱為功率因數(shù)角φ（如圖2所示）。

圖2 觸發(fā)角和導(dǎo)通角的關(guān)系

　　3.2導(dǎo)通角和觸發(fā)角

　　（1）導(dǎo)通角和觸發(fā)角

　　當(dāng)晶閘管工作時(shí)，其輸出電壓的大小由晶閘管的導(dǎo)通角決定，而導(dǎo)通角又由觸發(fā)角和功率因數(shù)角共同決定。

　　如圖2所示，α為觸發(fā)角，q為導(dǎo)通角。

　　幾個(gè)角度之間的關(guān)系為:q=-α+φ

　　（2）初始觸發(fā)角

　　初始觸發(fā)角是給電機(jī)建立電流的必要條件，初始觸發(fā)角一般在40°到60°之間，此值根據(jù)不同的電機(jī)及不同的負(fù)載變化。

3.3相序及其檢測(cè)

（1）相序

      相序就是相位的順序，是交流電的瞬時(shí)值從負(fù)值向正值變化經(jÄ«ng)過零值的依次順序。在晶閘管軟起動(dòng)中，相序檢測(cè)極為重要，只有確定相序，才能發(fā)出正確的觸發(fā)脈沖控制晶閘管的導(dÇŽo)通順序。

（2）相序檢測(cè)

      相序檢測(cè)是在晶閘管導(dÇŽo)通前，觸發(fā)脈沖發(fā)出前進(jìn)行的。本系統(tÇ’ng)通過對(duì)三相反并聯(lián)晶閘管的管壓降信號(hào)的判別來實(shí)現(xiàn)相序檢測(cè)。設(shè)A相晶閘管的管壓降信號(hào)為Va, B相晶閘管的管壓降信號(hào)為Vb ，C相晶閘管的管壓降信號(hào)為Vc。在電壓過零時(shí)，管壓降為0。管壓降信號(hào)Va、 Vb、Vcåš´(yán)格遵守三相交流電相序規(guÄ«)律，信號(hào)的周期為180°，各相的相位差為120°。

      以Va為基準(zhÇ”n)，當(dāng)Va開始有壓降，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，若60°后到來的信號(hào)是Vc，120°后到來的信號(hào)是Vb，則可判定為正相序。相反，當(dāng)Va開始有壓降，若60°后到來的信號(hào)是Vb，120°后到來的信號(hào)是Vc，則可判定為逆相序。

3.4脈沖觸發(fā)

（1）觸發(fā)同步

      為了能對(duì)主回路的輸出電壓Ud進(jìn)行準(zhÇ”n)確的控制，SCR必須接受與SCR主電路具有相同頻率的觸發(fā)信號(hào)。在A、B、C三相電路中，正相晶閘管觸發(fā)信號(hào)相位相差120°，反相晶閘管觸發(fā)信號(hào)相位也相差120°，而同一相中反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖相位相差180°。宏觀來看三相交流調(diào)壓電路，是每隔60°控制器發(fā)出一個(gè)觸發(fā)脈沖。

（2）觸發(fā)脈寬

      晶閘管的觸發(fā)是有一個(gè)過程的，也就是晶閘管的導(dÇŽo)通需要一定的時(shí)間，不是一觸即通，只有當(dāng)晶閘管的陽極電流即主回路電流上升到晶閘管的擎住電流I_L以上時(shí)，管子才能導(dÇŽo)通，所以觸發(fā)脈沖信號(hào)應(yÄ«ng)有一定的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠導(dÇŽo)通。例如：一般晶閘管的導(dÇŽo)通時(shí)間在6μs左右，故觸發(fā)脈沖的寬度至少在6μs以上，一般取20～50μs，對(duì)于大電感負(fù)載，由于電流上升較慢，觸發(fā)脈沖寬度還應(yÄ«ng)加大，否則脈沖終止時(shí)主回路電流還未上升到晶閘管的擎任電流以上，則晶閘管又重新關(guān)斷，所以脈沖寬度不應(yÄ«ng)小于300μs，通常取1ms，相當(dāng)廣50Hz正弦波的18°電角度。

3.5移相調(diào)壓過程

      由于異步電動(dòng)æ©Ÿ(jÄ«)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中得到，當(dāng)交流調(diào)壓電路帶感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)觸發(fā)角α大于感性負(fù)載的功率因數(shù)角φ時(shí)，才能起調(diào)壓的作用，因?yàn)楫?dāng)α<φ時(shí)，電流導(dÇŽo)通的時(shí)間將始終保持在180°，其情況和α=φ時(shí)一樣，相控不起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qÅ«)挼那闆r下，還會(huì)出現(xiàn)只有一個(gè)方向的晶閘管在工作，負(fù)載上可能出現(xiàn)直流分量，危害晶閘管的安全。因此在使用相控晶閘管電路時(shí)必須采用寬脈沖觸發(fā)或雙窄脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在φ≤α<180°。

      晶閘管的輸出電壓為介于導(dÇŽo)通角q 間的波形，改變q角的大小，就可以調(diào)節(jié)電機(jÄ«)的輸入電壓。q 角與α角和φ角都有關(guān)，對(duì)于恒定的負(fù)載阻抗，q角是常量，只要調(diào)整α角就可以改變晶閘管的輸出電壓，但電機(jÄ«)的功率因數(shù)角是電機(jÄ«)轉(zhuÇŽn)速的函數(shù)，在電機(jÄ«)èµ·å‹•(dòng)過程中，隨著轉(zhuÇŽn)速的提升，功率因數(shù)角在不斷變化，因此，對(duì)晶閘管觸發(fā)角α的調(diào)整要兼顧φ角的變化情況。只有這樣，才能達(dá)到使電機(jÄ«)輸入電壓按預(yù)定規(guÄ«)律變化的目的。

4實(shí)現(xiàn)方案

      在軟起動(dòng)過程中，DSP以電流過零點(diÇŽn)為觸發(fā)條件，DSP每檢測(cè)到一次電流過零點(diÇŽn)就會(huì)發(fā)一次觸發(fā)脈沖。首先根據(jù)電機(jÄ«)的參數(shù)特性設(shè)定觸發(fā)角α的初始值，在起動(dòng)過程中，觸發(fā)角α不斷的前移，直到移動(dòng)到功率因數(shù)角φ為止，此時(shí)觸發(fā)角的值等于功率因數(shù)角。這個(gè)時(shí)候發(fā)出的觸發(fā)脈沖正好是在電流過零點(diÇŽn)處，也就是可晶閘管關(guān)斷的時(shí)刻。由于觸發(fā)脈沖具有一定寬度，可以持續(xù)到電流過零點(diÇŽn)以后，所以此刻發(fā)出的觸發(fā)脈沖會(huì)使晶閘管全壓導(dÇŽo)通。晶閘管全壓導(dÇŽo)通的時(shí)刻，也就是軟起動(dòng)過程結(jié)束的時(shí)候，此時(shí)就可以投切旁路真空接觸器，來短接晶閘管。為了避免電流的二次沖擊，需要延時(shí)一段時(shí)間后停止發(fā)出觸發(fā)脈沖，此時(shí)整個(gè)軟起過程完全結(jié)束。

5實(shí)際控制效果

      本文以功率因數(shù)角作為軟起動(dòng)的控制依據(jù)，可以實(shí)時(shí)的跟蹤電機(jÄ«)的功率因數(shù)的變化，根據(jù)功率因數(shù)的變化來調(diào)整觸發(fā)角度。所以大部分晶閘管軟起動(dòng)控制方式采用此移相控制方式。本文所介紹的根據(jù)功率因數(shù)角移相的起動(dòng)方式，在實(shí)際應(yÄ«ng)用過程中很好的實(shí)現(xiàn)了電機(jÄ«)的平滑起動(dòng)，為用戶提供了滿意的軟起動(dòng)產(chÇŽn)品。

6結(jié)束語

      本文介紹了以功率因數(shù)角作為反饋信號(hào)來控制電機(jÄ«)的晶閘管移相起動(dòng)方式，此控制策略能更準(zhÇ”n)確的判斷出晶閘管的關(guān)斷時(shí)刻，由此可以更精確的發(fā)出觸發(fā)脈沖來控制電機(jÄ«)的軟起動(dòng)過程。