【摘 要】 高壓大功率電機在起動時對負載和電網都有比較大的影響。晶閘管串聯式高壓軟起動器以其優越的起動性能和其他一些優點而廣泛使用。本文通過高壓軟起動器在現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，對晶閘管串聯方式的高壓軟起動做了比較全面的介紹。
【關鍵詞】晶閘管、電動機、觸發、軟起動
1．引言
交流異步電動機以其構造簡單、極高的運行可靠性、極強的環境適應能力和優異的拖動性能在我國煤礦、石油、化工、鋼鐵、發電、供水、水泥建材等領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，會對系統造成不利的影響。主要影響體現在兩個方面：
（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，造成供電網電壓波動，影響同電網下其他設備的正常運行。
（2）機械方面的問題：
過大的起動轉矩產生機械沖擊，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，給系統維護增加了工作量；其次電機在直接起動時電網跌落比較嚴重，在電網壓降達到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．晶閘管串聯高壓軟起動的構成及原理
2.1 主回路構成
晶閘管串聯軟起動裝置是結合了電力電子技術、光電技術控制技術及微處理技術而設計全數字智能化的起動設備。晶閘管串聯軟起動主回路接線圖如圖1所示，主要由高壓可控硅串聯閥組和旁路接觸器組成，其中高壓可控硅串聯閥組是功率變換執行部件，由多只可控硅串并聯組成，并輔以吸收、均壓箝位電路，保證其在高壓環境中的可靠性。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，同時關閉晶閘管。
圖1 晶閘管串聯軟起動主回路接線圖
2.2 控制電路
如圖2所示，晶閘管串聯高壓軟起動裝置的控制電路一般由主控電路、觸發裝置、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大規模門陣列組成的數字電路組成，它的主要功能是產生觸發晶閘管的脈沖指令，晶閘管的觸發命令通過數字信號處理器（DSP）來發出。主控電路可以根據信號采集電路采集的電壓與電流信號來調整晶閘管的導通角，從而達到調整電機電流的作用，實現對電機的閉環控制，即限流起動。在發出觸發脈沖的同時它又可以通過電壓電流溫度等的反饋信號監視電機及軟起動裝置本身的運行狀態，保護整個系統，確保系統的安全運行。
2.2.2 觸發系統
觸發系統是系統穩定可靠的關鍵部分，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問題：
1．觸發脈沖能夠及時準確的觸發晶閘管
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晶閘管。所以晶閘管的門極觸發脈沖特性對晶閘管的正常工作有非常強烈的影響。
在晶閘管串聯使用時，我們要求相互串聯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脈沖的幅值以及脈沖上升沿的陡度有關系。也就是說門極觸發脈沖的幅值越大，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域，絕大多數廠家都是采用強觸發方式來觸發晶閘管。即觸發脈沖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．觸發晶閘管的觸發方式
高壓隔離有三種觸發系統，脈沖變壓器、直接光觸發和光纖觸發。脈沖變壓器結構簡單、成本低，但是其電磁兼容性差，不適合在高壓環境下使用；直接光觸發系統雖然可靠準確但是價格昂貴，很少被采用；光纖觸發系統可靠性好，雖然相比直接光觸發系統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系統基本上都采用光纖觸發系統。
在高壓軟起動中觸發系統的工作電源一般采取高位取能獲得，即觸發電路板上的工作電源由動態均壓（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，又實現了電氣隔離，避免觸發信號受到干擾。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，會影響到觸發板上電能的獲取，從而影響到對晶閘管的觸發。所以一些廠家的晶閘管軟起動裝置在生產具有軟停車功能的產品時會單獨給觸發系統額外提供電源，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就比較完善，他們采用了一種叫做低位取能的一種技術，即在低壓側采用一個低壓大功率的變壓器，在觸發板上采用一套電流感應裝置，把變壓器的線穿過觸發板上的電流感應裝置，在觸發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板可以獲取足夠的功率來繼續觸發晶閘管，可以使軟停車的后期停車過程更加平穩，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速信號。電壓、電流信號一般通過互感器來進行采集，在經過處理后反饋回主控制電路，根據反饋的數據判斷電機及軟起動裝置的運行狀態，發出觸發脈沖或者在系統整體運行異常時通過反饋信號判斷故障并發出保護命令。
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設置、選擇起動模式以及顯示系統的運行狀態。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。
3．晶閘管軟起動的起動方式
3.1 全壓起動
在這種狀態下（圖3），軟起動裝置相當一個固態接觸器，電機和直接起動一樣，承受全部的電流沖擊和轉矩沖擊，一般情況下晶閘管全開時間控制在0.25s以內：
圖3 全壓起動
3.2 電壓斜坡起動
該模式是比較長用的起動模式。它通過減少起動力矩的沖擊，實現對電機平滑、連續無級加速的起動，從而使齒輪、連軸結和皮帶的摩擦減小到最低。用戶可以調節電機的初始轉矩，在加速斜坡時間內，電機的輸入電壓從設置的初始轉矩對應的電壓線性上升，把傳統的降壓起動變有級為無級，從而可以使電機平滑的起動，減少了機械方面的沖擊。
圖4 電壓斜坡起動
3.3 限流起動
限流起動，顧名思義，就是在電動機起動過程中把起動電流限制到某一設定電流值以下。主要用在相對較輕負載起動，并且對電網沖擊有一定要求的工況下，其輸入電壓從零開始迅速增長，直到其電流達到預先設定的電流限值，然后在保證輸出電流不大于電流限值的情況下，改變晶閘管的導通角，逐漸升高電壓，直到額定電壓。與此同時，電動機的轉速也在逐漸上升，到達額定轉速。這種起動的優點是起動電流較小，可以把電動機起動對電網的沖擊降到最小，并可按照需要進行設定限流值。但是在設定電流限值時必須要根據電動機的初始轉矩來設定，否則設置過小會起動失敗或燒壞電機。此種起動方式起動時間相對較長。
圖5 限流起動
3.4 突跳起動
這種起動方式主要應用在負載相對較重的工作環境下。在轉矩控制的基礎下，在起動的瞬間采用一個突跳轉矩用來克服負載的靜轉矩，然后轉矩在逐漸上升，直至電動機到達正常工作狀態。這種起動方式的優點是可以縮短起動時間，起動較重的負載，但在起動的時候會對電網產生一定的沖擊，影響同一電網下其他負荷的工作。
圖6 突跳起動
3.5 軟停車
軟停車的實際上就相當于相反軟起動過程，主要作用是消除了系統的反慣性沖擊，對于泵類負載來講就是克服了“水錘”效應。其主要過程是在電動機實行軟停車時軟起動裝置的旁路接觸器斷開，同時晶閘管開始工作，使電機電壓逐漸下降，轉速降低，達到軟停車的效果。（如圖7）
圖7 軟起動和軟停車全過程
3.6 泵控起動及停車
由于水泵類負載其相對特殊的機械特性，部分軟起動廠家針對泵類負載的特性曲線專門設計了泵控型起動和停車方式，該種起動方式可以通過電機平滑的加速和減速，使離心泵在起動和停機期間降低水錘沖擊。主控電路通過采集信號分析電機的各個運行參數，同時通過改變晶閘管導通角來控制電機狀態，從而達到降低系統受到喘振沖擊的可能性。（圖8）
圖8 泵控起停過程
4．軟起動在壓縮機負載的應用效果
在首鋼冷軋廠高壓大功率壓縮機負載系統（10KV/3730KW和10KW/2250KW）中，電機直接起動不僅會對電網產生沖擊，而且對整個系統的機械維護也提出了很高的要求。在使用PowerEasy型軟起動后，效果良好，達到了預期的目的，主要應用效果體現在以下幾個方面：
1) 相對于現場10KV/3730KW的壓縮機而言，其額定電流為253A，在直接起動時電流會達到額定電流的7倍左右。使用了PowerEasy型軟起動后，根據現場工況，起動模式設為限流起動，限流倍數為3.2倍，在起動時電流為810A左右，電流控制精確穩定。這樣不但降低了電動機起動對電網的沖擊，而且提高了電網安全運行水平；從另外一個方面來講，相對減小了電網容量，降低了投資成本，縮短了建設周期。
2) 在降低了壓縮機直接起動對電機本身的沖擊的同時，又降低了起動是對軸承、管道以及整個系統的機械沖擊。因為電機直接起動加速過快，對傳動系統的壽命和可靠性來說都是十分嚴峻的考驗。而軟起動過程平滑穩定，可以有效消除對傳動系統和管道的不良影響，減少維護工作量，延長了工作壽命。
3) PowerEasy型軟起動裝置主回路采用進口晶閘管串聯，功率元件一致性好，在設計上留出充分的裕量，連續起動3—5次時溫升比較小，在50℃之內，在惡劣的工作環境下可以保證很高的可靠性。
4) PowerEasy型軟起動裝置主要采用電流閉環的方式來對電動機及整個系統進行控制與監視。在合理的電壓波動下起動過程具有良好的一致性。并且軟起動本身具有比較完善的保護系統，可以根據反饋信號隨時對整個系統進行保護與監視，充分保證了系統的安全運行。
5) 在調試過程中可以根據現場的工作環境來設置各種保護參數和起動參數，可以更好的適應現場的工況。
6) 體積比較小，機構設計合理，噪音小。
5．結束語
晶閘管串聯式高壓軟起動在壓縮機等平方轉矩類負載的應用方面，能夠有效的改變電機的起動特性，降低起動電流，以其優越的性能，為電動機提供全面的服務，保證了整個傳動系統運行的可靠性。在降低系統整體的維護工作量的同時，晶閘管軟起動裝置本身又可以做到免維護，使整個生產成本降低，具有較好的投資回報和社會效益，符合時代進步的要求，是技術發展的必然趨勢。
