基于晶闸管串联的高压电动机软起动装置系统设计与研究

　　交流异步电动机广泛地应用于国民经济的各个领域，异步电机直接起动存在着起动力矩小、起动电流大、对电网冲击大、起动困难、对机械设备冲击大、电机使用寿命短、维护工作量大、维护费用高等问题。异步电机软起动器可减小电动机硬起动引起的电网电压降，使之不影响与其共网的其它电气设备的正常运行。可减小电动机的冲击电流，冲击电流会造成电动机局部温升过大，降低电动机寿命；可减小硬起动带来的机械冲击力和冲击力加速对所传动机械(轴、啮合齿轮等)的磨损；减少电磁干扰，冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。软起动使电动机可以起停自如，减少空转，提高作业率，因而有节能作用。

　　对于电动机的软起动，大致可分为有级和无级两种。有级型的软起动有定子串电抗器降压、液态电阻降压、星-三角(y-△)降压、自耦变压器降压和延边三角形降压等。无级型软起动有开关变压器降压、磁饱和电抗器降压、晶闸管串联降压软起动等。由于有级型降压软起动的调节存在一定程度的二次电流冲击，因此对电机的软起动效果有限。而在无级型软起动器中，随着电力电子技术的提高和功率器件的发展以及铜、铁等原材料价格的大幅上涨，晶闸管串联式的高压软起动装置越来越被市场所认可。

2　降压起动原理

　　把三相异步电动机的定子绕组接通到三相电源上，转子从静止升速到稳定状态，这一过程叫起动。在合闸的瞬间，电动机的转差率为1，起动电流等于堵转电流，起动转矩等于堵转转矩。随着转速升高，起动电流从堵转电流逐渐下降，最后稳定在某个数值。较高的堵转转矩表明电动机能在较大负载下起动，并获得较大的加速度，但过大的堵转电流会在供电线路上产生很大的压降，使电网电压波动，直接影响到接在该电网上电气设备的运行。异步电动机的t形等效电路图如图1所示。

图1　电动机t形等效图

　　电机的转矩参数表达式如式(1)所示：

　　其中：
　　m为电磁转矩；
　　s为转差率；
　　p 为极对数；
　　m1r1x1分别为定子绕组的相数、电阻和电抗；
　　r`2x`2分别为折算到定子侧的转子电阻和电抗。
　　由t形等效电路图和式(1)可求出合闸时的起动电流(有效值)和起动转矩，其公式为：

　　由以上分析可以得出，当降低电机定子端电压时，流经电机的起动电流按正比例下降。电网供给电机的起动电流也相应下降。因而减小了对电网的冲击。

3　高压软起动系统设计

　　3.1　系统综述

　　高压电动机软起动装置系统框图如图2所示。晶闸管串联的功率单元联接在三相高压电网与电动机之间，控制单元根据传感器传送回来的信号按事先设定好的起动曲线进行移相调节。控制单元发出的晶闸管触发信号经光纤传送到晶闸管触发单元，用来调整晶闸管的导通角，进而达到调整电压的目的，使得输出到电动机上的电压按照一定曲线缓慢上升，实现电动机的软起动。当电动机达到额定转速时，旁路接触器吸合，电动机处于旁路运行状态。控制单元仍然进行在线检测，负责电机的电压、电流的显示及各种故障的监测。

图2　高压电动机软起动装置系统框图

3.2　晶闸管串联单元设计

　　由于目前国内市场应用的电动机大多是6kv和10kv电机，做为串接在高压电网和电动机之间的功率执行器件，单只晶闸管还不足以承受6kv的高压，虽然单只晶闸管目前已经成熟地发展到单只耐压6500v，但考虑到电网波动、浪涌及耐压余量等可靠性因素，在设计6kv高压软起动装置的时候，功率单元采用3只晶闸管串联的方式来提高耐压值。同理在设计10kv高压软起动装置的时候采用5只晶闸管串联组成高压阀组。

单相6kv高压晶闸管功率阀组的示意图如图3所示。scr1～scr6 为大功率高压晶闸管，它们每三个串联后再反并联组成单相功率串联阀组，以实现软起动器对交流电机的控制。这6只晶闸管选用同一厂家、同一型号、同一生产批次的产品，以减小其在生产过程中由于生产工艺的不同而产生的自身特性诸如伏安特性、反向恢复电荷、开关时间和临界电压上升率等的差异，影响均压。r1、r2、r3为静态均压电阻，用以实现晶闸管的静态均压。静态均压电阻选用无感电阻，阻值为晶闸管阻断状态等效阻值的1/40，且功率留有足够大的余量。r4、r5、r6和c1、c2、c3共同组成动态均压网络，用以实现动态均压。通过选择，各电阻和电容的参数误差应非常小，电容的取值根据晶闸管的最大反向恢复电荷和最小反向恢复电荷的差值计算求得。均压过程主要是由电容c完成的。串联的各只晶闸管开关速度不会完全一致，而会稍有差别。电容c上的电压在静态情况下数值相同，在开关过程中，由于电容上的电压不能突变，加在各只晶闸管上的压降不会发生跳变。由于开关过程中各只晶闸管中电流不一致所造成的影响由电容c的充放电补偿。

图3　6kv串联阀组单相示意图

3.2.1　静态均压

　　在晶闸管外加一定电压，在阻断状态时，总有一定的漏电流。串联时，漏电流最小即漏电阻最大的晶闸管承受的电压最大。有效的解决办法就是并联电阻rj(如图3中的r1、r2、r3)，称为均压电阻。由于rj的阻值比漏电阻小得多，因此管子在正反阻断时承受的电压基本相等，通 常数值为：

　　其中，
　　ured为晶闸管额定电压；
　　idr为静态重复平均电流；
　　πidr近似为漏电流峰值。
　　均压电阻的功率可由下式求得：

　　其中，um为作用于元件的正向峰值电压；
　　n为串联元件数；
　　krj为系数，单相时取0.25；三相时取0.45；直流时取1。

3.2.2　动态均压

　　动态均压是同一桥臂中晶闸管开通和关断过程中的均压，即过渡过程中的均压。静态均压电阻rj只能使直流电压或变化缓慢的电压均匀分配到各串联的晶闸管上。开通时，后开通的将瞬时受到较高电压，关断时，先关断的承受全部的换流反向电压，可能导致反向击穿。因此，与管子并联上电容c(如图3中的c1、c2、c3)。为了防止晶闸管导通瞬间，电容放电造成过大的(di/dt)，还应在c上串联电阻r(如图3中的r4、r5、r6)。阻容吸收电路要尽量靠近晶闸管，引线要短，最好用无感电阻。电容耐压选管子电压的1-1.5倍。电容的容值可用反向恢复电荷法计算求得。

　　闸管关断时，其电流正向过零并不立即恢复其阻断状态，由于反向恢复电荷的存在，晶闸管中形成一个反向恢复电流itr。反向恢复电荷由下式得出：

　　其中，tr2为反向阻断恢复时间。

　　反向恢复电荷决定了串联阀组中每个晶闸管所承受的阻断电压值，当晶闸管反向流过反向漏电流itr时，即恢复了反向阻断特性，此时关断过程结束。电容值的计算可由下式得出：

3.3　接口单元设计

　　单元包括电压传感器接口、电流传感器接口、光纤传送接口、故障检测接口及人机交互接口等。其中电压信号采用高阻降压方式，并考虑到系统兼容性，将电路设计成3kv、6kv、10kv通用，以方便产品生产。电流传感器采用标准x/5电流互感器加高精度电流霍尔的形式，将信号进行相应处理后送到cpu进行运算。高压与低压间的信号传送采用光纤传输，既保证信号的实时性及可靠性传输，又起动高低压隔离作用。信号经过接口电路编码后通过光纤传送至触发单元，触发单元将信号解码并经过相应处理后用以触发晶闸管。触发单元的供电采用高位、低位相结合，每只晶闸管的触发电源各自独立。人机接口采用贴膜式软键和液晶显示屏。液晶显示屏为4行8列，设计成4级菜单管理模式，可预设中文及英文显示。

3.4　软件设计

　　软件设计是系统控制的核心，直接关系到系统运行的稳定性和可靠性。为了适应各种不同负载的应用，软件设计上设计了多种不同的起动曲线，包括电压斜坡起动、限流起动、突跳起动及软停车曲线等。同时设计完善的保护功能，包括短路保护、过流保护、过压、欠压保护、晶闸管过热保护等。电机的参数及各种保护参数可由用户根据现场应用情况自行设定。

4　系统实验

　　系统设计完成后，用6kv/1000kw电机进行了带载起动实验。电机额定电压6kv，额定电流112a，额定转速1480r/min。起动电流单相波形如图4所示。从图中可以看出，起动电流平稳无冲击，峰值起动电流为额定电流的2.6倍左右，起动时间22s ，电网电压无明显波动，达到了良好的起动效果。

图4　软起动单相电流波形

5　结束语

　　本系统以晶闸管串联阀组为主功率执行器件，通过交流调压来实现电动机的软起动。系统有控制灵活，操作简单，起动平稳，运行可靠等特点，可有效缓解电机起动过程中对电网及负载的冲击，保护电机安全起动和运行。