晶闸管软起动的原理及应用

晶闸管软起动的原理及应用

林燕

一、引言

1977年美国航空航天局(NASA)FrankNole工程师获得了一项节电器专利，初期称为“功率因数控制器”，此后又有许多公司和个人开发了十几种节电器。1982年FrankNole又作了二点改进，一是省掉取样电阻而改为监视晶闸管两端电压，二是采取了反馈控制技术，使空载时电动机电压进一步减小，节电率大大提高，正式定名为“节电器”（POWERSAVER）。我国也开发了节电器，但实际使用效果不佳，未能广泛推广使用。1983年后，上海市相继引进了一系列的节电器产品，在对引进的节电器消化吸收的基础上，上海，西安等地研制出了新型节电器，其性能达到并超过引进的同类产品，为进一步推广节电器创造了条件，国内市场上从上世纪90年代开始把软启动器作为电机节能的首选产品。

晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间。它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前，电气工程界就有人指出，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一晶闸管产品，并于1958年使其商业化。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。

二、晶闸管软起动的原理

晶闸管软起动通过控制单元发出PWM波来控制晶闸管触发脉冲，以控制晶闸管的导通，从而实现对电机起动的控制。

在分析软起动原理之前先强调以下几个术语：

(1)触发角α：指从晶闸管正向电压起到加触发脉冲为止的这一期间对应的电角度。

(2)导通角θ：指晶闸管在一个周期内导通的时间所对应的角度。

(3)续流角φ：感性负载电流滞后于它所对应的相电压的相角。

(4)关断角δ：指从电流达到零的时刻起到该相晶闸管再次开通为止这段时间所对应的角度。

图1晶闸管软起动器主电路图

如图1为晶闸管调压软起动主电路图，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接在电动机的三相供电线路中。在起动过程中，晶闸管的触发角由软件控制，当起动器的微机控制系统接到起动指令后，便进行有关的计算，输出触发晶闸管的信号，通过控制晶闸管的导通角θ，使起动器按照所设计的模式调节输出电压，使加在交流电动机三相定子绕组上的电压由零逐渐平滑地升至全电压。同时，电流检测装置检测三相定子电流并送给微处理器进行运算和判断，当起动电流超过设定值时，软件控制升压停止，直到起动电流下降到低于设定值之后，再使电机继续升压起动。若三相起动电流不平衡并超过规定的范围，则停止起动。当起动过程完成后，软起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗。另外，由电机学原理可知，当电动机的输入电源频率不变时，电动机的输出转矩与输入电压的平方成正比。因此，软起动不仅可以通过使定子电压连续平滑增加来实现了升压限流起动，而且还减小了电动机起动转矩的冲击。

目前在低压(380伏)范围内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍。而其主要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法比拟的。

晶闸管软起动产品主要缺点：一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的5一10倍；二是晶闸管引起的高次谐波较严重。

三、晶闸管软启动方式

运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。晶闸管软起动一般有下面几种起动方式：

1、斜坡升压软起动

这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。

2、脉冲冲击起动

在起动开始阶段，让晶闸管在级短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。软起动与传统减压起动方式的不同，笼型电机传统的减压起动方式有Y-q起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。

3、电压双斜坡启动

在启动过程中，电机的输出力矩随电压增加，在启动时提供一个初始的启动电压，根据负载可调，将调到大于负载静摩擦力矩，使负载能立即开始转动。这时输出电压从开始按一定的斜率上升(斜率可调)，电机不断加速。当输出电压达到达速电压时，电机也基本达到额定转速。软启动器在启动过程中自动检测达速电压，当电机达到额定转速时，使输出电压达到额定电压。

4、限流启动

就是电机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值的软启动方式。其输出电压从零开始迅速增长，直到输出电流达到预先设定的电流限值，然后保持输出电流，在设定的条件下逐渐升高电压，直到额定电压，使电机转速逐渐升高，直到额定转速。这种启动方式的优点是启动电流小，且可按需要调整。对电网影响小，其缺点是在启动时难以知道启动压降，不能充分利用压降空间。

5、突跳启动

启动开始阶段，让晶闸管在极短的时间内全导通后迅速回落，这个时间可以人为地进行调节再按原设定的值线性上升，进入恒流启动，该启动方法适用于重载并需克服摩擦的启动场合。

四、晶闸管软起动的应用

1、短期重复工作的机械

长期空载(轻载<40％)运行，短时重载。例如：起重机、皮带输送机、金属材料压延机、车床、冲床、刨床、剪床等。

2、频繁起动的工作机械

有些机械经常处于开停状态，如果允许轻载启动，则可以使用软起动技术。以下列举一些软起动器的特性。

（1）线性软起动

这种起动方式是最普遍使用的。首先，电机上升至初始转矩值，该值可在5％～90％的额定转矩之间调节。然后，电机电压在加速斜坡上升时间逐渐上升，加速斜坡上升时间可在2～30s之间调整。

这种起动方式提供了突跳起动和升压。它可提供500％满载电流的电流脉冲，可调时间范围为0.4～2s。使电机因负载需要助推才能起动时额外加一个附加转矩。

（2）泵控制

该功能在离心泵的起动及停止期间，通过平滑地加速及减速电机来减小泵系统中出现的喘振。由微计算机分析电机变量并发出控制命令，以减小系统中出现喘振可能性的方式来控制电机。起动时间可在2～30s之间调整，停止时间可在2～120s 之间调整。

（3）智能电机制动

控制系统可实现在需要电机比自由停车更快速停车的场合，即快速制动。它是以微计算机为基础的制动系统，该系统给标准的鼠笼感应电动机提供三相制动电流。制动在没有附加的接触器或电源设备的情况下完成，而且无需计时器、传感器或测速计，便实行自动零速停车。制动电流的强弱可在满载电流的150％～400％之间调整。补偿器无法完成此功能。

（4）泵专门起动控制

电动机的转速－转矩曲线已经修改成泵系统相关特性。这种特性可提供尽可能接近恒定的加速转矩。同时不需要转速表、流量或压力传感器、或其它类型的外部反馈到控制器，而是利用基于微处理器的电动机反馈来完成的。由于没有突然的转矩变化、因此电动机平滑地加速，泵系统的喘振或冲击达到最小。