利用晶闸管交流调压器实现大功率三相异步电动机的软启动

 摘  要：简述三相异步电动机因启动而产生的影响和破坏作用、常用启动方法及其弊端，提出利用晶闸管交流调压器实现软启动的研发课题。本文介绍了晶闸管交流调压的原理，通过应用实例说明了利用该调压器实现软启动的可行性。
    关键词：晶闸管交流调压器；大功率；三相异步电动机；软启动
    中图分类号：TM423    文献标识码：B

三相交流异步电动机在启动时都会产生2~6倍于额定电流的启动电流。对大功率电机来说，无疑会对电网、控制装置造成降压、跳闸等影响，同时也对电机本身的定子、转子的绝缘性能以及输出机械产生较大的破坏作用。目前常用的Y△启动、自耦变压器启动和变频调速启动对大功率电机来说，Y△启动仍能产生较大的电流；自祸变压器启动具有启动不便、体积大、滑块触点氧化等缺点；而变频调速启动对于规律负载来说就显得“大材小用”了，且造价高昂。随着可控硅技术的发展，利用晶闸管交流调压器实现大功率三相异步电动机的软启动，已成为国际上研发的课题之一。
    一、调压原理
    利用相位控制实现电机的三相调压。如图1所示，把三对反并联的晶闸管（或双向可控硅）与电机的三相输入端连接，三相电阻一电感负载是电动机的等效电路，此时负载可按Y或△连接。

此电路中由于没有中线，所以在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。为保证启动时两个晶闸管同时导通，及在感性负载与控制角较大时仍能保证不同相的正反向两个晶闸管同时导通，要求采用＞60°的宽脉冲角或双脉冲触发电路。为保证输出电压对称并有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号除了与相应的交流电源有一致的相序外，各触发信号之间还须保持一定的相位关系。这就要求三相调压电路中各晶闸管触发脉冲的序列应如图1中的KZ1、KZ2、KZ3、KZ4、KZ5、KZ6，相邻两个晶闸管的触发脉冲信号相位差为27π/3。
    由于电机自感电势的作用，电流要滞后一个角度才能为零关断晶闸管。因此，要求晶闸管的移相控制角α与负载电路的参数阻抗角0的关系为：φ≤α≤150°，而φ=tg1ωL/R，它们与晶闸管导电角θ的关系如图2所示。

因有晶闸管的电流滞后特性，直接采用图1的控制模式容易出现电压波形缺口与电流波形振荡。为解决晶闸管不在零电流时关断，而在一个很小的反电流下才关断的问题，采用与晶闸管并联RC回路来吸收负载电路电感中的能量，以使到达电机的电压、电流具有连续性。A相的电流电压波形如图3所示。
    从波形可看出，内部含有部分谐波分量，由于线电流对称因而只有奇次谐波，而3次谐波已经抵消了，只剩部分高次谐波。这种分量虽然影响功率的输出，并能使电机发热，但对电机的启动影响不大。
    二、控制实例
    控制对象：三相交流异步电动机，输入三相50Hz，进线电压380V，功率从几kW到几百kW，静态误差不大于2.5%~5%。控制信号通过CPU用数模转换器输入0~8V DC电压，输出交流电压连续可调，能实现软启动。本电路还具有保护和切换装置，如图4所示。

控制过程：按启动按钮QTA电机启动，同时将启动信号传到CPU，经处理给定D/A一个较小的起步电压（<8V），然后通过时间控制输入电压，达到启动目的。此后，输出信号给K1将启动回路关断，1JC断开2JC吸合，切换到市电全电压状态。该电路还加了一个手动开关K，以备应急启动。
    1．主电路。本系统采用双向可控硅，体积小控制极接线简单。A、B、C为其交流输入端，A3、B3、C3为输出端一接向电机定子绕组。
    2．控制电路。升速指令由CPU发出，传给D/A经运算放大器3FA组成的速度调节器，由T32点送入移相触发电路。
    3．触发电路。移相触发电路采用锯齿波同步方式。可产生双脉冲并有强触发脉冲电源（+40V）经K31送到脉冲变压器的初级侧。
    4．辅助电路。除了正常的过载、过电压和过电流外，还有断相保护。它由三个Y形接于电源的电阻11R1、11R2、11R3、光电耦合器Gu、三极管与继电器等组成。当主电路工作时，0点电位很低，光电耦合器Gu与晶体管11DG2都处于截止状态，继电器1XJ线圈上不通过电流。在三相电源缺相或某一相熔丝烧断时，则11R1、11R2、11R3变成不对称电路，0点电位被提高，Gu和11 DG2都导通，使1XJ动作，主电源断开。本电路还设有热继电器RJ以防电机过流。相序指示电路由电阻11R5、11R7与整流桥、发光二极管LED等组成，当相序接错时，LED就亮。
    电机的启动电流波形如图5。