1 引言
在現代工業控制領域中，大容量交流異步電動機的起動一直是電動機控制領域中的研究熱點。本文針對礦用隔爆兼本質安全型交流電動機軟起動裝置的使用要求，采用大功率雙向晶閘管構成三相交流調壓電路，以微處理器及信號采集、保護環節構成控制器，通過控制晶閘管的觸發角，調節晶閘管調壓電路的輸出電壓，實現電動機的無觸點降壓軟起動。
2 軟起動裝置的主電路設計
本軟起動裝置是電力電子技術與自動控制技術相結合的電氣裝置，在提供大電流時采用的是三相交流調壓中的相位交流調壓方式。主電路由6只單向晶閘管兩兩反向并聯組成，將其串接于電源和電動機定子之間，形成三相三線交流調壓電路。利用全數字無矢量控制技術，完成電動機端電壓與電流的控制。工作時，軟起動裝置接收到控制信號后，根據用戶己設定的參數，通過調節晶閘管的觸發角α，從而控制導通角θ逐漸增大，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，使電動機按設定模式平滑起動，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑無沖擊起動，降低起動電流，避免起動過流跳閘，從而控制電動機的運行過程，實現電動機的軟起動及運行保護等。
起動結束后，由控制裝置發出信號，使旁路真空接觸器閉合，反并聯晶閘管暫停工作，由電源直接供電使電動機正常工頻運行，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟起動裝置的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。軟起動裝置在電動機起動結束后可以對電動機的運行參數繼續監視，對各類故障進行全程保護。
圖1 系統整體功能框圖
礦用隔爆兼本質安全型交流軟起動裝置的整體結構和功能用圖1所示的框圖來表示。從圖1中可以看出，一套功能完備的交流電動機軟起動控制系統應當具備以下幾個組成部分:
(1)核心控制系統:軟起動控制裝置;
(2)被控制功率主回路;
(3)控制系統的輸入輸出部分，分別包括電動機控制參數的設定和電動機運行狀態的動態顯示以及電流和電機轉速反饋信號;
(4)電機運行中過壓保護、欠壓保護、過載保護、短路保護等的控制部分;
(5)電源部分，包括本安電源、控制回路和控制裝置的電源。
除此之外，作為隔爆型的交流電動機軟起動裝置，還要考慮到軟起動裝置的防爆隔爆設計問題 。
3 晶閘管選型
晶閘管元件參數的選擇，主要是選擇它的額定電壓等級和額定電流等級。就是說，選擇正、反向重復峰值電壓urm(即udrm、和urrm 兩者的較小值)和通態平均電流it(av)。
3.1 晶閘管電壓等級的選擇
晶閘管承受的正、反向電壓與所采用的電路形式和電源電壓有關。主要從可靠性、經濟性和可能性來考慮。電壓等級選的太高，不經濟;選的太低，不可靠，元件容易擊穿。
本系統所研究的軟起動裝置型號為qjr-400/1140，其額定電流為400a，額定電壓為1140v，故所選晶閘管的額定電壓為:
(1)
式中: urm為晶閘管在實際上作中能承受的最大電壓;
um為晶閘管元件承受的最大正、反向峰值電壓;
(2~3)為電壓的安全系數。
根據kp型晶閘管的電流電壓級別并考慮到晶閘管的安全性，本裝置中的晶閘管的額定電壓取為4000v。
3.2 晶閘管電流等級的選擇
由于雙向晶閘管通常用在交流電路中，因此不用平均值而用有效值來表示其額定電流值。
考慮到晶閘管的過載能力比一般電機電器產品小得多，因此選擇額定電流時考慮1.5~2倍的安全裕量是必要的。所以，晶閘管在流過任意波形電流并考慮了安全裕量情況下的額定電流 的計算公式為:
(2)
在使用中還應注意，當晶閘管散熱條件不滿足規定要求時，則元件的額定電流應立即降低使用，否則元件會由于結溫超過允許值而損壞。
晶閘管額定正向平均電流的選擇，主要與下列因素有關:負載電流的大小、電路形式、控制角的大小以及工作頻率(規定在400hz范圍以內不考慮頻率的影響)。
因為本裝置的額定電流為400a，考慮晶閘管調壓軟起動時，在線路電流達到兩倍額定電流之前軟起動裝置不工作，所以取額定電流的兩倍即 800a為電流計算值，故:
(3)
根據kp型晶閘管的電流電壓級別選取單只晶閘管的通態平均電流it(av)為800a。
根據現代實用電子技術手冊，所選的晶閘管型號為kp800-40d。
4 晶閘管的保護
相對于電機和繼電器、接觸器等控制電器而言，晶閘管承受過電流和過電壓的能力較差，短時間的過電流和過電壓就會把器件損壞。但又不能完全根據元件運行時可能出現的暫時的過電流和過電壓的數值來確定器件參數，必須充分發揮器件應有的過載能力。因此，保護就成為提高晶閘管元件運行可靠性必不可少的重要環節。要提高晶閘管元件的可靠性，就必須掌握晶閘管元件在實際運行中可能產生的主要故障和相應的保護電路。為了保證主電路的正常工作，系統中設置了以下保護措施:
4.1 過電壓、欠電壓保護
過電壓保護的主要目的是設法將過電壓的幅值抑制到安全限度之內。抑制過電壓的方法主要有三種:用非線性元件限制過電壓的幅度;用電阻消耗產生過電壓的能量;用儲能元件吸收產生過電壓的能量。
對于晶閘管關斷過程中產生的尖峰狀的瞬時過電壓，本系統采用的方法是在晶閘管兩端并聯阻容保護電路的方法。阻容吸收電路既可以用于主回路的保護，也可以用于對元器件的保護，同時還可以用于電子電路的保護，因此rc吸收電路是一種應用范圍很廣的過電壓吸收電路。rc吸收電路的原理是把變壓器鐵芯的磁場所釋放的能量轉化為電容器電場的能量儲存起來，利用電容兩端電壓瞬時不能突變的特性，吸收尖峰過電壓，能有效地抑制過電壓，把它限制在允許的范圍內。c值越大，抑制效果越好。加上阻容后，當晶閘管關斷時，變壓器電流可通過rc續流，減小di/dt，從而抑制了過電壓。
串聯電阻的作用是:
(1)在能量轉換過程中能夠消耗一部分能量，并且抑制lc電路振蕩。由于電路總有電感存在，故在晶閘管阻斷時，l、c、r與外電源剛好組成一個串聯電路。如不串接電阻，電容兩端將會產生比電源電壓高得多的振蕩電壓，此電壓加到晶閘管上，可能使元件損壞;
(2)限制晶閘管開通損耗與電流上升率。因晶閘管承受正向電壓且未導通時電容c上己充電，在元件觸發導通的瞬間，電容立即經管子放電。若沒有電阻限流，這個放電電流峰值很大，不僅增加管子開通損耗，而且使流過管子的電流上升率過大，甚至會損壞管子。
阻容吸收電路要盡量靠近晶閘管，引線要短，最好采用無感電容，這樣保護效果較好。
4.2 電流信號采集及過電流保護
本裝置主要是利用引入電流檢測的軟起動控制器作過電流保護。這種保護的特點是控制系統本身的動作速度比任何傳統的過電流保護電器都快。通過電流互感器檢測電流，測得的信號與過流整定值比較。在正常情況下，電流信號小于過電流整定值時，裝置發出正常的觸發脈沖;當變流裝置發生過電流時，由電流互感器檢測到的電流信號超過電流整定值，軟起動控制器發出相應的保護信號，封鎖觸發脈沖，軟起動裝置不工作，同時進行相應的保護動作:發出拉閘信號，要求解決故障并復位后才能重新工作。
晶閘管調壓裝置的一些故障，如晶閘管自通，觸發脈沖丟失，換流失敗等都表現為系統主回路的電流增加，而晶閘管若承受的電流數值較大且切斷電路的時間又過長時，晶閘管元件會因為產生的熱超過其熱容量而擊穿損壞，所以過流保護是系統中重要的保護環節。本系統對過流保護采用三種方式:
(1)電機起動初期，電流必然在額定電流數倍以上，因而為使電機能正常起動，在起動階段過流保護應該予以屏蔽，過流保護不動作，屏蔽時間可以根據實際情況具體調節。
(2)對于瞬時過電流，例如外界干擾引起的轉速振蕩時造成的過電流及負載突變時的電流增加，采用半周平均的方法來處理:顯示短路故障，封鎖晶閘管觸發脈沖，軟起動裝置不工作，要求解決故障并復位后才能重新上作。不允許在此狀態下較長時間運行。
(3)其它情況下對于長時間的過電流，在系統中一律作為過載故障，作跳閘處理。
在系統中，因為許多控制信號都與外部電流有關系，所以要對外部電流信號進行采集和計算。煤礦井下采用的多是三相三線制接線方式，可以把電動機看成一個廣義節點，流入的電流和流出的電流總和為零。這樣在任意瞬間總有ia+ib+ic=0成立。那么ic=-(ia + ib)，要檢測三相電流時只需要測試兩相電流，相應的一相電流由另兩相電流求出，這樣可以節省一個電流互感器，b相電流形成示意圖如圖2所示。
圖2 b相電流形成示意圖
a相和c相電流信號經互感器后進入到軟起動控制裝置中，經一個低通濾波器和限幅電路后，然后分壓用跟隨器跟隨送到單片機的a/d轉換管腳。
圖2中，a相電流和c相電流經u10進行相加取反后得到了b相電流，和a相c相電流經a/d轉換的結果送mcu進行分析。由軟件來分析對電機進行過載和電流顯示以及短路保護。
當系統檢測到的電流值超過了設定值，且在此狀態下連續運行了一段時間(實際工作時設置為5 s)，系統就認為是過電流故障，進入過流處理:顯示過電流故障和電流值，封鎖晶閘管觸發脈沖，軟起動裝置不工作，要求解決故障并復位后才能重新工作。本系統的短路保護同樣檢測電流反饋值，與過流保護不同的是在任何情況下若測定值超過了預先設定的最大電流值(系統設置為額定電流的5倍)，則馬上進行外部中斷并進行短路處理(半周內處理):顯示短路故障，封鎖晶閘管觸發脈沖，軟起動裝置不工作，要求解決故障并復位后才能重新工作。不允許在此狀態下較長時間運行。
4.3 晶閘管的過熱保護
系統中主要采用以下措施實現晶閘管的過熱保護:
(1)散熱保護法
所謂散熱保護就是用水冷、油冷及自然冷卻的方法，將芯片中的熱量散掉。
(2)加裝溫度傳感器保護
圖3 過熱保護電路框圖
圖4 過熱保護電路圖
為了限制系統的溫升，防止因溫升超過限值而損壞晶閘管器件，必須設置過熱保護電路。本裝置采用晶閘管加裝溫度傳感器把其檢測的信號送至mcu進行保護控制的措施。過熱保護電路框圖和電路圖如圖3和圖4所示。當發生過熱情況時，信號輸出到mcu ，mcu檢測到過熱信號就認為是過熱故障，進入過熱處理:顯示過熱故障，封鎖晶閘管觸發脈沖，軟起動裝置停止工作，并同時控制溫度報警器發出聲光報警。待排除過熱故障后再行送電工作。
4.4 主電路與控制電路之間的電氣隔離措施
為了防止主電路的高壓引入控制電路帶來安全隱患和盡量減小主電路對控制電路的電磁干擾，控制電路與主電路之間一般要采取電氣隔離措施。電氣隔離常常用光隔離或磁隔離。
本裝置中主電路與控制電路之間的電氣隔離措施采用的是光隔離。
光電耦合器的原邊是一個發光二極管，副邊是一個光敏三極管，以光作為媒介傳輸信號，原邊和副邊之間完全沒有電的聯系。是一種廣泛應用于計算機測控系統中的接口器件，如圖5所示。
圖5 光電耦合器
5 實驗結果
針對礦用隔爆兼本質安全型軟起動裝置的檢驗項目有多項，其中針對晶閘管相位調壓軟起動控制裝置的檢驗包括:保護性能試驗和起動特性試驗。
5.1 保護性能試驗
當參數整定無誤后，系統即開始檢測電網絕緣水平，此時將人為加設的多圈線繞電位器的阻值慢慢降下，當阻值降至閉鎖值以下時，系統即視為電網漏電，進行閉鎖保護，并在液晶顯示上顯示“漏電閉鎖故障”和此時的電壓、電流及漏電閉鎖值。實驗結果見表1。
5.2 起動特性試驗
礦用隔爆兼本質安全型軟起動裝置電動機起動特性試驗主要是起動方式，為電壓斜坡模式和限流模式下的試驗。在試驗時分別考慮電壓斜坡模式和限流模式下的空載、半載、滿載三種情況下以及滿載時工作電壓為額定值的75%和110%兩種情況下的速度、負載隨時間變化的曲線。在控制電動機起動時，顯示器上顯示工作電流、工作電壓和起動時間。
5.3 試驗結果
通過對控制系統的試驗可以看出(見圖2)，采用微機控制的晶閘管軟起動裝置實現的電動機降壓起動相比于其它控制方式，具有起動平滑、穩定的突出優點，尤其在中大功率的場合，能使電動機的起動性能大大改善。晶閘管調壓軟起動能在重載起動時克服電動機和負載的靜摩擦力，使電動機盡快的起動起來，縮短起動時間。
6 結束語
本礦用軟起動裝置是一種集電動機軟起動、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電動機控制裝置，相比于傳統的起動裝置，它突出的優點體現在能夠連續無級的調節電動機的起動，沖擊轉矩和沖擊電流小、控制簡便、起動重復性好以及體積小等方面。本論文在分析各種電動機軟起動方式的基礎上，著重研究了晶閘管相位控制雙斜坡電壓軟起動方式在異步電動機軟起動中的應用。其起動特性順利地通過了有關部門的檢驗。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
