前言

我國軟起動技術(shù)起步于上世紀(jì)80年代早期，目前生產(chǎn)電機啟動器的廠家很多，先后也推出了多種品牌的軟起動器。但由于國內(nèi)自主開發(fā)和生產(chǎn)的能力相對較弱，對國外產(chǎn)品的依賴還是很嚴(yán)重。在技術(shù)上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品尚有一定的差距。所以在整個軟起動器市場上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。目前市場上生產(chǎn)的軟啟動器主要以機械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機械式啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動電流仍然為標(biāo)稱電流的3~4倍，且有體積大、噪音大、維護費用高、無法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。

目前在國外，發(fā)達國家的電動機軟起動產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動裝置——晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時，采用變頻裝置。在沒有調(diào)速要求使用的場合下，起動負(fù)載較輕時一般采用晶閘管軟起動。在重載或負(fù)載功率特別大的時候，才使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發(fā)達國家軟起動的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生產(chǎn)的ASTAT智能電機軟起動器；ABB公司生產(chǎn)的PST、PSTB系列電機軟起動器；施耐德公司的ATS46軟起動器；德國SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART軟起動器等等。目前，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對控制電壓、控制電機電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準(zhǔn)確實用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機負(fù)載性能更優(yōu)。另一方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。

軟啟動器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來實現(xiàn)軟啟動、軟停車、實時監(jiān)測以及各種保護功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，可以充分發(fā)揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進行實時監(jiān)控。隨著數(shù)字直流PWM調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用，以及采用高性能的單片機作為系統(tǒng)的控制核心，可以使軟啟動器具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點。

1、三相異步電動機的起動原理

交流三相異步電動機的傳統(tǒng)啟動技術(shù)，如定子串電阻/電抗器啟動、自耦變壓器降壓啟動、星形-三角形降壓啟動、轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器啟動等，在交流電動機啟動技術(shù)發(fā)展過程中都有過重要應(yīng)用。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動器因為具有性能良好、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點，使得電子軟啟動器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動市場中的主流產(chǎn)品。

為了研究三相異步電動機的起動時的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進而分析異步電機起動時的電流、起動轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機的數(shù)學(xué)模型。對于電動機的軟起動而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。在不改變異步電動機定子繞組中的物理量和異步電機的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和繞組的計算，把異步電動機轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都歸算成和定子繞組一樣，即可用歸算過的基本方程式推導(dǎo)出異步電動機的等效電路。三相異步電動機的T形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖1所示：

圖1 異步電動機的等效電路

其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對應(yīng)的勵磁電阻，xm代表與主磁通相對應(yīng)的鐵心磁路的勵磁電抗。U1為定子電壓向量，E1為定子感應(yīng)電動勢向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量?；赥形等效電路的數(shù)學(xué)模型為：

2、軟起動的原理及分析

2.1晶閘管調(diào)壓原理

晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)壓；二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個周波的電源電壓，用改變接通時間與切斷時間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達到調(diào)壓的目的。但周波控制用在異步電機定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機轉(zhuǎn)速的波動，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動機的重起動過程。當(dāng)電源切斷時，電動機氣隙中的磁場將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場在定子繞組中感應(yīng)的電動勢頻率將有所變化，當(dāng)斷流時問隔較長時，這個旋轉(zhuǎn)磁場在定子中感應(yīng)的電勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣就會出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動機的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。采用相位控制時，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機中會引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動等不良影響。此外，由于異步電機是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時，只有當(dāng)移相

本系統(tǒng)軟起動器采用晶閘管調(diào)壓原理，通過調(diào)節(jié)電動機定子輸入端電壓的大小和相位實現(xiàn)軟起動的各種功能。本系統(tǒng)軟起動器采用了如圖2所示的主電路。用三組反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在星形接法的電機三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調(diào)壓性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。

圖2 軟起動主回路原理圖

2.2軟起動的起動方式

軟起動器的功能主要是實現(xiàn)軟起動和軟停車，而軟停車相當(dāng)于是軟起動的逆過程。三相異步電動機軟起動器擁有多種起動模式，可以滿足不同的起動要求。下面詳細介紹：

限流起動就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值Im的軟起動方式，起動波形如圖3所示。主要用于輕載起動的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預(yù)先設(shè)定的電流限值Im，然后保持輸出電流不大于該值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按需要調(diào)整起動電流的限定值Im。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉(zhuǎn)矩，起動時間相對較長。該方法應(yīng)用較多，適用于風(fēng)機，泵類負(fù)載。

圖3 限流啟動波形

3、硬件設(shè)計

3.1主電路的選擇

在晶閘管交流調(diào)壓系統(tǒng)中，晶閘管可以借負(fù)載電流波形過零而自行關(guān)斷，不需另加換流電路，所以其主要優(yōu)點是線路簡單、調(diào)壓裝置體積小，價格低廉、使用及維修方便。本系統(tǒng)采用晶閘管相控調(diào)壓的技術(shù)，采用圖4所示的主電路，用六個兩兩反向并聯(lián)的晶閘管串連在電機主供電回路中。

圖4 交流調(diào)壓主電路

3.2主回路電路

軟起動器主回路設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 主回路電路

采用三組反并聯(lián)晶閘管組成調(diào)壓電路。在三組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸器，軟起動時，接觸器斷開，軟起動完成后接觸器閉合。軟停車開始時，接觸器再次打到雙向晶閘管端，軟起動器投入到停車運行，如此重復(fù)來完成軟起動和軟停車。在三相電源側(cè)通過隔離電路得到軟起動器同步信號；在晶閘管輸出側(cè)即R、S、T通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過整流電路送入單片機做故障檢測。而TAl，TA2年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號通過整流電路后轉(zhuǎn)變成電壓信號輸入到控制回路。

4、過電流保護電路設(shè)計

一個優(yōu)秀的過流保護環(huán)節(jié)應(yīng)該是既能對過流反應(yīng)迅速，又能夠準(zhǔn)確動作。本設(shè)計的過流保護和過壓保護環(huán)節(jié)相似。過流保護的信號取自電流反饋回路，整流、濾波電路與電流反饋電路相同。它與設(shè)定值相比較，一旦超過設(shè)定值，則輸出一個低電平信號送入輔助單片機U2的外部中斷口P3.3，然后再由軟件處理，對過流的晶閘管實現(xiàn)脈沖封鎖、故障報警和系統(tǒng)復(fù)位等。對過電流值的設(shè)定，一般選擇大小為5.5倍的額定電流，這是因為一般的限流起動時，選擇的最大限流幅度為5倍，因此要留出一定的余量來保證正常起動時不至于切斷電路。過流保護的具體回路如圖6所示。

圖6 過電流檢測電路

5、觸發(fā)脈沖控制的軟件設(shè)計

由單片機產(chǎn)生所需的晶閘管移向觸發(fā)脈沖，必須包括同步電壓檢測環(huán)節(jié)、移相延遲角定時環(huán)節(jié)、觸發(fā)脈沖時序分配環(huán)節(jié)等部分，它與模擬電路實現(xiàn)的方法是類似的。

同步檢測信號在發(fā)生正跳變時，經(jīng)反相以終端的形式向CPU的INT0提供同步指令。采用CPU內(nèi)部T0定時器檢測同步信號的周期，用T1定時器實現(xiàn)移相角的定時控制，P1端口的P1.2~P.7分別用于輸出三相橋式整流電路的觸發(fā)信號，而P1口的P1.0~P1.1除法指令進行采樣。而由于MCS51單片機在CPU上電復(fù)位期間，所有輸出為高電平，為避免復(fù)位期間所有晶閘管存在驅(qū)動信號，應(yīng)采用低電平為有效觸發(fā)信號。即當(dāng)端口輸出為低電平時，經(jīng)外加反相器變?yōu)楦唠娖胶笥|發(fā)晶閘管導(dǎo)通，輸出觸發(fā)脈沖的寬度也通過定時器T1來控制。

6、結(jié)論

電機軟起動器將來的發(fā)展方向是更加智能化和多功能化。目前來看，軟起動仍以電壓斜坡軟起動和限流軟起動為主要形式，以后轉(zhuǎn)矩控制的起動方式將成為電機軟起動的一種重要起動方式。從更長期來看，變頻軟起動將成為軟起動的主流。這是因為變頻軟起動可以在限流(起動電流不超過電機額定電流值)的同時獲得大的起動轉(zhuǎn)矩，完成包括軟停車在內(nèi)的各種起動功能。

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