時間:2012-04-10 16:16:24來源:xuliyuan
摘要:本文介紹了通用晶閘管軟起動控制器的工作原理,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器共同采用的控制方式,其控制方式下起動的電機起動電流較小,起動平穩(wěn)且能夠滿足多種負載。
關(guān)鍵詞:晶閘管觸發(fā)電流功率因數(shù)角
1引言
三相交流異步電動機由于結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、運行可靠,所以在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但其在直接起動時,會產(chǎn)生過大的起動電流,特別是大功率電機,大起動電流嚴重沖擊電網(wǎng),引起電網(wǎng)供電質(zhì)量下降,并影響其他設(shè)備的正常運行,并且起動轉(zhuǎn)矩造成的機械沖擊會降低電動機的壽命。所以起動過程中需要在電機和電源之間串入軟起動來解決此問題。
隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,晶閘管軟起動裝置應(yīng)運而生。由于其體積小、結(jié)構(gòu)緊湊,免維護,安全可靠。全智能控制,功能齊全,菜單豐富。起動重復(fù)性好,保護周全。所以其正逐步取代傳統(tǒng)的軟起動方式,成為軟起動領(lǐng)域新的領(lǐng)軍人物。
本文首先闡述晶閘管軟起動的目前最普遍采用的移相起動方式。
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)通時間,從而控制到晶閘管電機端的輸出電壓,達到控制電機的起動特性。當晶閘管的電機端電壓和輸入端相同的時候即電機起動過程完畢后,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,這時電動機將直接連到電網(wǎng)上。
圖1 晶閘管軟起動器主電路原理圖
在圖1中,QS為高壓隔離開關(guān),QF1、QF2為真空斷路器(當電流小的時候,QF2有時候也采用接觸器),SCR為(普通)晶閘管,M為中壓電動機。QF1伺職主電路的通斷,QF2伺職電力器件的旁路。在SCR軟起動裝置里,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)個相串的SCR。
3工作原理
3.1功率因數(shù)角
由于電機為感性負載,所以電流滯后電壓。當電壓過零的時候,電流并未過零,要延遲一段時間后才過零,只有在電流過零的時候晶閘管才關(guān)斷。我們把電壓過零點和電流過零點之間的這個角度稱為功率因數(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
?。?)導(dǎo)通角和觸發(fā)角
當晶閘管工作時,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)不同的電機及不同的負載變化。
3.3相序及其檢測
(1)相序
相序就是相位的順序,是交流電的瞬時值從負值向正值變化經(jīng)過零值的依次順序。在晶閘管軟起動中,相序檢測極為重要,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(dǎo)通順序。
(2)相序檢測
相序檢測是在晶閘管導(dǎo)通前,觸發(fā)脈沖發(fā)出前進行的。本系統(tǒng)通過對三相反并聯(lián)晶閘管的管壓降信號的判別來實現(xiàn)相序檢測。設(shè)A相晶閘管的管壓降信號為Va, B相晶閘管的管壓降信號為Vb ,C相晶閘管的管壓降信號為Vc。在電壓過零時,管壓降為0。管壓降信號Va、 Vb、Vc嚴格遵守三相交流電相序規(guī)律,信號的周期為180°,各相的相位差為120°。
以Va為基準,當Va開始有壓降,此時開始計時,若60°后到來的信號是Vc,120°后到來的信號是Vb,則可判定為正相序。相反,當Va開始有壓降,若60°后到來的信號是Vb,120°后到來的信號是Vc,則可判定為逆相序。
3.4脈沖觸發(fā)
(1)觸發(fā)同步
為了能對主回路的輸出電壓Ud進行準確的控制,SCR必須接受與SCR主電路具有相同頻率的觸發(fā)信號。在A、B、C三相電路中,正相晶閘管觸發(fā)信號相位相差120°,反相晶閘管觸發(fā)信號相位也相差120°,而同一相中反并聯(lián)的兩個晶閘管的觸發(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)出一個觸發(fā)脈沖。
(2)觸發(fā)脈寬
晶閘管的觸發(fā)是有一個過程的,也就是晶閘管的導(dǎo)通需要一定的時間,不是一觸即通,只有當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IL以上時,管子才能導(dǎo)通,所以觸發(fā)脈沖信號應(yīng)有一定的寬度才能保證被觸發(fā)的晶閘管可靠導(dǎo)通。例如:一般晶閘管的導(dǎo)通時間在6μs左右,故觸發(fā)脈沖的寬度至少在6μs以上,一般取20~50μs,對于大電感負載,由于電流上升較慢,觸發(fā)脈沖寬度還應(yīng)加大,否則脈沖終止時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(yīng)小于300μs,通常取1ms,相當廣50Hz正弦波的18°電角度。
3.5移相調(diào)壓過程
由于異步電動機是感性負載,從電力電子學(xué)中得到,當交流調(diào)壓電路帶感性負載時,只有當觸發(fā)角α大于感性負載的功率因數(shù)角φ時,才能起調(diào)壓的作用,因為當α<φ時,電流導(dǎo)通的時間將始終保持在180°,其情況和α=φ時一樣,相控不起任何調(diào)壓作用,甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?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(dǎo)通角q 間的波形,改變q角的大小,就可以調(diào)節(jié)電機的輸入電壓。q 角與α角和φ角都有關(guān),對于恒定的負載阻抗,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,但電機的功率因數(shù)角是電機轉(zhuǎn)速的函數(shù),在電機起動過程中,隨著轉(zhuǎn)速的提升,功率因數(shù)角在不斷變化,因此,對晶閘管觸發(fā)角α的調(diào)整要兼顧φ角的變化情況。只有這樣,才能達到使電機輸入電壓按預(yù)定規(guī)律變化的目的。
4實現(xiàn)方案
在軟起動過程中,DSP以電流過零點為觸發(fā)條件,DSP每檢測到一次電流過零點就會發(fā)一次觸發(fā)脈沖。首先根據(jù)電機的參數(shù)特性設(shè)定觸發(fā)角α的初始值,在起動過程中,觸發(fā)角α不斷的前移,直到移動到功率因數(shù)角φ為止,此時觸發(fā)角的值等于功率因數(shù)角。這個時候發(fā)出的觸發(fā)脈沖正好是在電流過零點處,也就是可晶閘管關(guān)斷的時刻。由于觸發(fā)脈沖具有一定寬度,可以持續(xù)到電流過零點以后,所以此刻發(fā)出的觸發(fā)脈沖會使晶閘管全壓導(dǎo)通。晶閘管全壓導(dǎo)通的時刻,也就是軟起動過程結(jié)束的時候,此時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,需要延時一段時間后停止發(fā)出觸發(fā)脈沖,此時整個軟起過程完全結(jié)束。
5實際控制效果
本文以功率因數(shù)角作為軟起動的控制依據(jù),可以實時的跟蹤電機的功率因數(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)角移相的起動方式,在實際應(yīng)用過程中很好的實現(xiàn)了電機的平滑起動,為用戶提供了滿意的軟起動產(chǎn)品。
6結(jié)束語
本文介紹了以功率因數(shù)角作為反饋信號來控制電機的晶閘管移相起動方式,此控制策略能更準確的判斷出晶閘管的關(guān)斷時刻,由此可以更精確的發(fā)出觸發(fā)脈沖來控制電機的軟起動過程。
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