交流異步電動機廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，異步電機直接起動存在著起動力矩小、起動電流大、對電網(wǎng)沖擊大、起動困難、對機械設(shè)備沖擊大、電機使用壽命短、維護工作量大、維護費用高等問題。異步電機軟起動器可減小電動機硬起動引起的電網(wǎng)電壓降，使之不影響與其共網(wǎng)的其它電氣設(shè)備的正常運行。可減小電動機的沖擊電流，沖擊電流會造成電動機局部溫升過大，降低電動機壽命；可減小硬起動帶來的機械沖擊力和沖擊力加速對所傳動機械(軸、嚙合齒輪等)的磨損；減少電磁干擾，沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行。軟起動使電動機可以起停自如，減少空轉(zhuǎn)，提高作業(yè)率，因而有節(jié)能作用。

　　對于電動機的軟起動，大致可分為有級和無級兩種。有級型的軟起動有定子串電抗器降壓、液態(tài)電阻降壓、星-三角(y-△)降壓、自耦變壓器降壓和延邊三角形降壓等。無級型軟起動有開關(guān)變壓器降壓、磁飽和電抗器降壓、晶閘管串聯(lián)降壓軟起動等。由于有級型降壓軟起動的調(diào)節(jié)存在一定程度的二次電流沖擊，因此對電機的軟起動效果有限。而在無級型軟起動器中，隨著電力電子技術(shù)的提高和功率器件的發(fā)展以及銅、鐵等原材料價格的大幅上漲，晶閘管串聯(lián)式的高壓軟起動裝置越來越被市場所認可。

2　降壓起動原理

　　把三相異步電動機的定子繞組接通到三相電源上，轉(zhuǎn)子從靜止升速到穩(wěn)定狀態(tài)，這一過程叫起動。在合閘的瞬間，電動機的轉(zhuǎn)差率為1，起動電流等于堵轉(zhuǎn)電流，起動轉(zhuǎn)矩等于堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。隨著轉(zhuǎn)速升高，起動電流從堵轉(zhuǎn)電流逐漸下降，最后穩(wěn)定在某個數(shù)值。較高的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩表明電動機能在較大負載下起動，并獲得較大的加速度，但過大的堵轉(zhuǎn)電流會在供電線路上產(chǎn)生很大的壓降，使電網(wǎng)電壓波動，直接影響到接在該電網(wǎng)上電氣設(shè)備的運行。異步電動機的t形等效電路圖如圖1所示。

圖1　電動機t形等效圖

　　電機的轉(zhuǎn)矩參數(shù)表達式如式(1)所示：

　　其中：
　　m為電磁轉(zhuǎn)矩；
　　s為轉(zhuǎn)差率；
　　p 為極對數(shù)；
　　m1r1x1分別為定子繞組的相數(shù)、電阻和電抗；
　　r`2x`2分別為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電阻和電抗。
　　由t形等效電路圖和式(1)可求出合閘時的起動電流(有效值)和起動轉(zhuǎn)矩，其公式為：

　　由以上分析可以得出，當降低電機定子端電壓時，流經(jīng)電機的起動電流按正比例下降。電網(wǎng)供給電機的起動電流也相應(yīng)下降。因而減小了對電網(wǎng)的沖擊。

3　高壓軟起動系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1　系統(tǒng)綜述

　　高壓電動機軟起動裝置系統(tǒng)框圖如圖2所示。晶閘管串聯(lián)的功率單元聯(lián)接在三相高壓電網(wǎng)與電動機之間，控制單元根據(jù)傳感器傳送回來的信號按事先設(shè)定好的起動曲線進行移相調(diào)節(jié)。控制單元發(fā)出的晶閘管觸發(fā)信號經(jīng)光纖傳送到晶閘管觸發(fā)單元，用來調(diào)整晶閘管的導通角，進而達到調(diào)整電壓的目的，使得輸出到電動機上的電壓按照一定曲線緩慢上升，實現(xiàn)電動機的軟起動。當電動機達到額定轉(zhuǎn)速時，旁路接觸器吸合，電動機處于旁路運行狀態(tài)。控制單元仍然進行在線檢測，負責電機的電壓、電流的顯示及各種故障的監(jiān)測。

圖2　高壓電動機軟起動裝置系統(tǒng)框圖

3.2　晶閘管串聯(lián)單元設(shè)計

　　由于目前國內(nèi)市場應(yīng)用的電動機大多是6kv和10kv電機，做為串接在高壓電網(wǎng)和電動機之間的功率執(zhí)行器件，單只晶閘管還不足以承受6kv的高壓，雖然單只晶閘管目前已經(jīng)成熟地發(fā)展到單只耐壓6500v，但考慮到電網(wǎng)波動、浪涌及耐壓余量等可靠性因素，在設(shè)計6kv高壓軟起動裝置的時候，功率單元采用3只晶閘管串聯(lián)的方式來提高耐壓值。同理在設(shè)計10kv高壓軟起動裝置的時候采用5只晶閘管串聯(lián)組成高壓閥組。

單相6kv高壓晶閘管功率閥組的示意圖如圖3所示。scr1～scr6 為大功率高壓晶閘管，它們每三個串聯(lián)后再反并聯(lián)組成單相功率串聯(lián)閥組，以實現(xiàn)軟起動器對交流電機的控制。這6只晶閘管選用同一廠家、同一型號、同一生產(chǎn)批次的產(chǎn)品，以減小其在生產(chǎn)過程中由于生產(chǎn)工藝的不同而產(chǎn)生的自身特性諸如伏安特性、反向恢復電荷、開關(guān)時間和臨界電壓上升率等的差異，影響均壓。r1、r2、r3為靜態(tài)均壓電阻，用以實現(xiàn)晶閘管的靜態(tài)均壓。靜態(tài)均壓電阻選用無感電阻，阻值為晶閘管阻斷狀態(tài)等效阻值的1/40，且功率留有足夠大的余量。r4、r5、r6和c1、c2、c3共同組成動態(tài)均壓網(wǎng)絡(luò)，用以實現(xiàn)動態(tài)均壓。通過選擇，各電阻和電容的參數(shù)誤差應(yīng)非常小，電容的取值根據(jù)晶閘管的最大反向恢復電荷和最小反向恢復電荷的差值計算求得。均壓過程主要是由電容c完成的。串聯(lián)的各只晶閘管開關(guān)速度不會完全一致，而會稍有差別。電容c上的電壓在靜態(tài)情況下數(shù)值相同，在開關(guān)過程中，由于電容上的電壓不能突變，加在各只晶閘管上的壓降不會發(fā)生跳變。由于開關(guān)過程中各只晶閘管中電流不一致所造成的影響由電容c的充放電補償。

圖3　6kv串聯(lián)閥組單相示意圖

3.2.1　靜態(tài)均壓

　　在晶閘管外加一定電壓，在阻斷狀態(tài)時，總有一定的漏電流。串聯(lián)時，漏電流最小即漏電阻最大的晶閘管承受的電壓最大。有效的解決辦法就是并聯(lián)電阻rj(如圖3中的r1、r2、r3)，稱為均壓電阻。由于rj的阻值比漏電阻小得多，因此管子在正反阻斷時承受的電壓基本相等，通 常數(shù)值為：

　　其中，
　　ured為晶閘管額定電壓；
　　idr為靜態(tài)重復平均電流；
　　πidr近似為漏電流峰值。
　　均壓電阻的功率可由下式求得：

　　其中，um為作用于元件的正向峰值電壓；
　　n為串聯(lián)元件數(shù)；
　　krj為系數(shù)，單相時取0.25；三相時取0.45；直流時取1。

3.2.2　動態(tài)均壓

　　動態(tài)均壓是同一橋臂中晶閘管開通和關(guān)斷過程中的均壓，即過渡過程中的均壓。靜態(tài)均壓電阻rj只能使直流電壓或變化緩慢的電壓均勻分配到各串聯(lián)的晶閘管上。開通時，后開通的將瞬時受到較高電壓，關(guān)斷時，先關(guān)斷的承受全部的換流反向電壓，可能導致反向擊穿。因此，與管子并聯(lián)上電容c(如圖3中的c1、c2、c3)。為了防止晶閘管導通瞬間，電容放電造成過大的(di/dt)，還應(yīng)在c上串聯(lián)電阻r(如圖3中的r4、r5、r6)。阻容吸收電路要盡量靠近晶閘管，引線要短，最好用無感電阻。電容耐壓選管子電壓的1-1.5倍。電容的容值可用反向恢復電荷法計算求得。

　　閘管關(guān)斷時，其電流正向過零并不立即恢復其阻斷狀態(tài)，由于反向恢復電荷的存在，晶閘管中形成一個反向恢復電流itr。反向恢復電荷由下式得出：

　　其中，tr2為反向阻斷恢復時間。

　　反向恢復電荷決定了串聯(lián)閥組中每個晶閘管所承受的阻斷電壓值，當晶閘管反向流過反向漏電流itr時，即恢復了反向阻斷特性，此時關(guān)斷過程結(jié)束。電容值的計算可由下式得出：

3.3　接口單元設(shè)計

　　單元包括電壓傳感器接口、電流傳感器接口、光纖傳送接口、故障檢測接口及人機交互接口等。其中電壓信號采用高阻降壓方式，并考慮到系統(tǒng)兼容性，將電路設(shè)計成3kv、6kv、10kv通用，以方便產(chǎn)品生產(chǎn)。電流傳感器采用標準x/5電流互感器加高精度電流霍爾的形式，將信號進行相應(yīng)處理后送到cpu進行運算。高壓與低壓間的信號傳送采用光纖傳輸，既保證信號的實時性及可靠性傳輸，又起動高低壓隔離作用。信號經(jīng)過接口電路編碼后通過光纖傳送至觸發(fā)單元，觸發(fā)單元將信號解碼并經(jīng)過相應(yīng)處理后用以觸發(fā)晶閘管。觸發(fā)單元的供電采用高位、低位相結(jié)合，每只晶閘管的觸發(fā)電源各自獨立。人機接口采用貼膜式軟鍵和液晶顯示屏。液晶顯示屏為4行8列，設(shè)計成4級菜單管理模式，可預(yù)設(shè)中文及英文顯示。

3.4　軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計是系統(tǒng)控制的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。為了適應(yīng)各種不同負載的應(yīng)用，軟件設(shè)計上設(shè)計了多種不同的起動曲線，包括電壓斜坡起動、限流起動、突跳起動及軟停車曲線等。同時設(shè)計完善的保護功能，包括短路保護、過流保護、過壓、欠壓保護、晶閘管過熱保護等。電機的參數(shù)及各種保護參數(shù)可由用戶根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況自行設(shè)定。

4　系統(tǒng)實驗

　　系統(tǒng)設(shè)計完成后，用6kv/1000kw電機進行了帶載起動實驗。電機額定電壓6kv，額定電流112a，額定轉(zhuǎn)速1480r/min。起動電流單相波形如圖4所示。從圖中可以看出，起動電流平穩(wěn)無沖擊，峰值起動電流為額定電流的2.6倍左右，起動時間22s ，電網(wǎng)電壓無明顯波動，達到了良好的起動效果。

圖4　軟起動單相電流波形

5　結(jié)束語

　　本系統(tǒng)以晶閘管串聯(lián)閥組為主功率執(zhí)行器件，通過交流調(diào)壓來實現(xiàn)電動機的軟起動。系統(tǒng)有控制靈活，操作簡單，起動平穩(wěn)，運行可靠等特點，可有效緩解電機起動過程中對電網(wǎng)及負載的沖擊，保護電機安全起動和運行。