高壓軟起動在壓縮機負載上的應用設計

摘 要：高壓大功率電機在起動時對負載和電網(wǎng)都有比較大的影響。晶閘管串聯(lián)式高壓軟起動器以其優(yōu)越的起動性能和其他一些優(yōu)點而廣泛使用。本文通過高壓軟起動器在現(xiàn)場大功率壓縮機負載上的應用，分析其工作原理，介紹了起動功能，對晶閘管串聯(lián)方式的高壓軟起動做了比較全面的介紹。
關(guān)鍵詞：晶閘管、電動機、觸發(fā)、軟起動

1． 引言

交流異步電動機以其構(gòu)造簡單、極高的運行可靠性、極強的環(huán)境適應能力和優(yōu)異的拖動性能在我國煤礦、石油、化工、鋼鐵、發(fā)電、供水、水泥建材等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。但是交流異步電動機致命的缺點是起動沖擊大，會對系統(tǒng)造成不利的影響。主要影響體現(xiàn)在兩個方面：

（1）電氣方面的問題：

起動時可達5-7倍的額定電流，造成電動機繞組因電流引起過溫，從而加速其絕緣老化，造成供電網(wǎng)電壓波動，影響同電網(wǎng)下其他設備的正常運行。

（2）機械方面的問題：

過大的起動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機械沖擊，對被帶動的設備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機械傳動部件的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命從而增加維護工作量。

在首鋼冷軋廠制氮生產(chǎn)線空壓機上就遇到了這樣的問題，由于電機功率比較大（10KV/3730KW和10KV/2250KW），首先在起動過程中對電機及壓縮機的機械沖擊比較大，給系統(tǒng)維護增加了工作量；其次電機在直接起動時電網(wǎng)跌落比較嚴重，在電網(wǎng)壓降達到85%時其他設備就不能正常工作。鑒于以上原因決定使用PowerEasy型晶閘管式軟起動裝置。

2． 晶閘管串聯(lián)高壓軟起動的構(gòu)成及原理

2.1 主回路構(gòu)成

晶閘管串聯(lián)軟起動裝置是結(jié)合了電力電子技術(shù)、光電技術(shù)控制技術(shù)及微處理技術(shù)而設計全數(shù)字智能化的起動設備。晶閘管串聯(lián)軟起動主回路接線圖如圖1所示，主要由高壓可控硅串聯(lián)閥組和旁路接觸器組成，其中高壓可控硅串聯(lián)閥組是功率變換執(zhí)行部件，由多只可控硅串并聯(lián)組成，并輔以吸收、均壓箝位電路，保證其在高壓環(huán)境中的可靠性。當進線端得電后，通過控制可控硅的導通角以實現(xiàn)對交流三相電源進行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動過程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動裝置切換到旁路狀態(tài)，同時關(guān)閉晶閘管。

圖1 晶閘管串聯(lián)軟起動主回路接線圖

2.2 控制電路

如圖2所示，晶閘管串聯(lián)高壓軟起動裝置的控制電路一般由主控電路、觸發(fā)裝置、信號采集電路和人機界面組成。

圖2 軟起動控制框圖

2.2.1 主控電路

主控電路的主要由DSP微處理器及CPLD大規(guī)模門陣列組成的數(shù)字電路組成，它的主要功能是產(chǎn)生觸發(fā)晶閘管的脈沖指令，晶閘管的觸發(fā)命令通過數(shù)字信號處理器（DSP）來發(fā)出。主控電路可以根據(jù)信號采集電路采集的電壓與電流信號來調(diào)整晶閘管的導通角，從而達到調(diào)整電機電流的作用，實現(xiàn)對電機的閉環(huán)控制，即限流起動。在發(fā)出觸發(fā)脈沖的同時它又可以通過電壓電流溫度等的反饋信號監(jiān)視電機及軟起動裝置本身的運行狀態(tài)，保護整個系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的安全運行。

2.2.2觸發(fā)系統(tǒng)

觸發(fā)系統(tǒng)是系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵部分，必須具有抗噪聲干擾的能力，能夠及時準確的導通可控硅。在這里主要存在兩個技術(shù)問題：

1．觸發(fā)脈沖能夠及時準確的觸發(fā)晶閘管

晶閘管是一種電流控制型雙極型半導體元件，它要求門極的驅(qū)動單元類似于一個電流源，能向晶閘管提供一個特別陡直的尖峰電流脈沖，來保證在任何時刻都能夠準確可靠的觸發(fā)晶閘管。所以晶閘管的門極觸發(fā)脈沖特性對晶閘管的正常工作有非常強烈的影響。

在晶閘管串聯(lián)使用時，我們要求相互串聯(lián)的晶閘管盡可能的一起導通，因為開通較慢的可能會承受過電壓而損壞元件，這個時候就要求同組串聯(lián)的晶閘管開通時間差盡量的小。

晶閘管的開通速度主要和門極觸發(fā)脈沖的幅值以及脈沖上升沿的陡度有關(guān)系。也就是說門極觸發(fā)脈沖的幅值越大，脈沖上升沿越陡，晶閘管開通的時間就越短。所以在電機軟起動領(lǐng)域，絕大多數(shù)廠家都是采用強觸發(fā)方式來觸發(fā)晶閘管。即觸發(fā)脈沖IG的電流幅值大于或等于10IGT，脈沖上升沿時間tr≤1μs。總之。為了保證晶閘管閥串工作的可靠性，IG要遠遠大于IGT。

2．觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)方式

高壓隔離有三種觸發(fā)系統(tǒng)，脈沖變壓器、直接光觸發(fā)和光纖觸發(fā)。脈沖變壓器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但是其電磁兼容性差，不適合在高壓環(huán)境下使用；直接光觸發(fā)系統(tǒng)雖然可靠準確但是價格昂貴，很少被采用；光纖觸發(fā)系統(tǒng)可靠性好，雖然相比直接光觸發(fā)系統(tǒng)在電路上增加了一些復雜性，但是相對造價要低很多并且觸發(fā)準確可靠，所以在高壓應用上是首選，目前市場上的高壓軟起動裝置的觸發(fā)系統(tǒng)基本上都采用光纖觸發(fā)系統(tǒng)。

在高壓軟起動中觸發(fā)系統(tǒng)的工作電源一般采取高位取能獲得，即觸發(fā)電路板上的工作電源由動態(tài)均壓（即RC吸收回路）上的電容供應，這樣既避免使用高耐壓變壓器所帶來的高成本，又實現(xiàn)了電氣隔離，避免觸發(fā)信號受到干擾。需要指出的是，高位取能這種方法僅在軟起動過程中適用，而在針對一些泵類負載設計的軟停車過程中，由于在停止過程的后半段由于主回路中的電流越來越小，會影響到觸發(fā)板上電能的獲取，從而影響到對晶閘管的觸發(fā)。所以一些廠家的晶閘管軟起動裝置在生產(chǎn)具有軟停車功能的產(chǎn)品時會單獨給觸發(fā)系統(tǒng)額外提供電源，這樣就增加了成本。而AB等一些國外公司的軟起動裝置在這方面技術(shù)就比較完善，他們采用了一種叫做低位取能的一種技術(shù)，即在低壓側(cè)采用一個低壓大功率的變壓器，在觸發(fā)板上采用一套電流感應裝置，把變壓器的線穿過觸發(fā)板上的電流感應裝置，在觸發(fā)電路板上獲得感應電流，來充當電源的作用，這樣在軟停車的后期觸發(fā)板可以獲取足夠的功率來繼續(xù)觸發(fā)晶閘管，可以使軟停車的后期停車過程更加平穩(wěn)，減少泵類負載的水錘效應對管道和葉輪的沖擊。

2.2.3信號采集電路和人機界面

信號采集電路主要功能是采集各種信號并進行預處理，然后把處理過的信號反饋回主控電路。目前主要采集信號有兩種，電壓信號和電流信號，部分軟起動廠家還采集溫度及轉(zhuǎn)速信號。電壓、電流信號一般通過互感器來進行采集，在經(jīng)過處理后反饋回主控制電路，根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)判斷電機及軟起動裝置的運行狀態(tài)，發(fā)出觸發(fā)脈沖或者在系統(tǒng)整體運行異常時通過反饋信號判斷故障并發(fā)出保護命令。

人機界面電路一般有液晶屏和鍵盤組成，用來完成用戶的參數(shù)設置、選擇起動模式以及顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)。在某些需要遠程控制的工況下，部分軟起動裝置還加裝了遠程通訊模塊。