高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的應(yīng)用

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(jī)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(dǎo)通角，從而達(dá)到調(diào)整電機(jī)電流的作用，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的閉環(huán)控制，即限流起動。在發(fā)出觸發(fā)脈沖的同時(shí)它又可以通過電壓電流溫度等的反饋信號監(jiān)視電機(jī)及軟起動裝置本身的運(yùn)行狀態(tài)，保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)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(shí)準(zhǔn)確的導(dǎo)通可控硅。在這里主要存在兩個(gè)技術(shù)問題：
1．觸發(fā)脈沖能夠及時(shí)準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管
　　晶閘管是一種電流控制型雙極型半導(dǎo)體元件，它要求門極的驅(qū)動單元類似于一個(gè)電流源，能向晶閘管提供一個(gè)特別陡直的尖峰電流脈沖，來保證在任何時(shí)刻都能夠準(zhǔn)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(qiáng)烈的影響。
在晶閘管串聯(lián)使用時(shí)，我們要求相互串聯(lián)的晶閘管盡可能的一起導(dǎo)通，因?yàn)殚_通較慢的可能會承受過電壓而損壞元件，這個(gè)時(shí)候就要求同組串聯(lián)的晶閘管開通時(shí)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(shí)間就越短。所以在電機(jī)軟起動領(lǐng)域，絕大多數(shù)廠家都是采用強(qiáng)觸發(fā)方式來觸發(fā)晶閘管。即觸發(fā)脈沖I_G的電流幅值大于或等于10I_GT，脈沖上升沿時(shí)間t_r≤1μs。總之。為了保證晶閘管閥串工作的可靠性，I_G要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于I_GT。

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(zhǔn)確但是價(jià)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(fù)雜性，但是相對造價(jià)要低很多并且觸發(fā)準(zhǔn)確可靠，所以在高壓應(yīng)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(yīng)，這樣既避免使用高耐壓變壓器所帶來的高成本，又實(shí)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(fù)載設(shè)計(jì)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(shí)會單獨(dú)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(gè)低壓大功率的變壓器，在觸發(fā)板上采用一套電流感應(yīng)裝置，把變壓器的線穿過觸發(fā)板上的電流感應(yīng)裝置，在觸發(fā)電路板上獲得感應(yīng)電流，來充當(dāng)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(fù)載的水錘效應(yīng)對管道和葉輪的沖擊。

2.2.3　信號采集電路和人機(jī)界面

　　信號采集電路主要功能是采集各種信號并進(jìn)行預(yù)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(jìn)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(jī)及軟起動裝置的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出觸發(fā)脈沖或者在系統(tǒng)整體運(yùn)行異常時(shí)通過反饋信號判斷故障并發(fā)出保護(hù)命令。

　　人機(jī)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(shè)置、選擇起動模式以及顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在某些需要遠(yuǎn)程控制的工況下，部分軟起動裝置還加裝了遠(yuǎn)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(tài)下（圖3），軟起動裝置相當(dāng)一個(gè)固態(tài)接觸器，電機(jī)和直接起動一樣，承受全部的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，一般情況下晶閘管全開時(shí)間控制在0.25s以內(nèi)：

　　　　　　　　　　　　　　　　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(shí)現(xiàn)對電機(jī)平滑、連續(xù)無級加速的起動，從而使齒輪、連軸結(jié)和皮帶的摩擦減小到最低。用戶可以調(diào)節(jié)電機(jī)的初始轉(zhuǎn)矩，在加速斜坡時(shí)間內(nèi)，電機(jī)的輸入電壓從設(shè)置的初始轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的電壓線性上升，把傳統(tǒng)的降壓起動變有級為無級，從而可以使電機(jī)平滑的起動，減少了機(jī)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(jī)起動過程中把起動電流限制到某一設(shè)定電流值以下。主要用在相對較輕負(fù)載起動，并且對電網(wǎng)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(dá)到預(yù)先設(shè)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(dǎo)通角，逐漸升高電壓，直到額定電壓。與此同時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也在逐漸上升，到達(dá)額定轉(zhuǎn)速。這種起動的優(yōu)點(diǎn)是起動電流較小，可以把電動機(jī)起動對電網(wǎng)的沖擊降到最小，并可按照需要進(jìn)行設(shè)定限流值。但是在設(shè)定電流限值時(shí)必須要根據(jù)電動機(jī)的初始轉(zhuǎn)矩來設(shè)定，否則設(shè)置過小會起動失敗或燒壞電機(jī)。此種起動方式起動時(shí)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(yīng)用在負(fù)載相對較重的工作環(huán)境下。在轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)下，在起動的瞬間采用一個(gè)突跳轉(zhuǎn)矩用來克服負(fù)載的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩在逐漸上升，直至電動機(jī)到達(dá)正常工作狀態(tài)。這種起動方式的優(yōu)點(diǎn)是可以縮短起動時(shí)間，起動較重的負(fù)載，但在起動的時(shí)候會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的沖擊，影響同一電網(wǎng)下其他負(fù)荷的工作。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　突跳起動

3.5　軟停車

　　軟停車的實(shí)際上就相當(dāng)于相反軟起動過程，主要作用是消除了系統(tǒng)的反慣性沖擊，對于泵類負(fù)載來講就是克服了“水錘”效應(yīng)。其主要過程是在電動機(jī)實(shí)行軟停車時(shí)軟起動裝置的旁路接觸器斷開，同時(shí)晶閘管開始工作，使電機(jī)電壓逐漸下降，轉(zhuǎn)速降低，達(dá)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(fù)載其相對特殊的機(jī)械特性，部分軟起動廠家針對泵類負(fù)載的特性曲線專門設(shè)計(jì)了泵控型起動和停車方式，該種起動方式可以通過電機(jī)平滑的加速和減速，使離心泵在起動和停機(jī)期間降低水錘沖擊。主控電路通過采集信號分析電機(jī)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)通過改變晶閘管導(dǎo)通角來控制電機(jī)狀態(tài)，從而達(dá)到降低系統(tǒng)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(jī)負(fù)載的應(yīng)用效果

　　在首鋼冷軋廠高壓大功率壓縮機(jī)負(fù)載系統(tǒng)（10KV/3730KW和10KW/2250KW）中，電機(jī)直接起動不僅會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，而且對整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械維護(hù)也提出了很高的要求。在使用PowerEasy型軟起動后，效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目的，主要應(yīng)用效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)　相對于現(xiàn)場10KV/3730KW的壓縮機(jī)而言，其額定電流為253A，在直接起動時(shí)電流會達(dá)到額定電流的7倍左右。使用了PowerEasy型軟起動后，根據(jù)現(xiàn)場工況，起動模式設(shè)為限流起動，限流倍數(shù)為3.2倍，在起動時(shí)電流為810A左右，電流控制精確穩(wěn)定。這樣不但降低了電動機(jī)起動對電網(wǎng)的沖擊，而且提高了電網(wǎng)安全運(yùn)行水平；從另外一個(gè)方面來講，相對減小了電網(wǎng)容量，降低了投資成本，縮短了建設(shè)周期。

2)　在降低了壓縮機(jī)直接起動對電機(jī)本身的沖擊的同時(shí)，又降低了起動是對軸承、管道以及整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械沖擊。因?yàn)殡姍C(jī)直接起動加速過快，對傳動系統(tǒng)的壽命和可靠性來說都是十分嚴(yán)峻的考驗(yàn)。而軟起動過程平滑穩(wěn)定，可以有效消除對傳動系統(tǒng)和管道的不良影響，減少維護(hù)工作量，延長了工作壽命。

3)　PowerEasy型軟起動裝置主回路采用進(jìn)口晶閘管串聯(lián)，功率元件一致性好，在設(shè)計(jì)上留出充分的裕量，連續(xù)起動3—5次時(shí)溫升比較小，在50℃之內(nèi)，在惡劣的工作環(huán)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(huán)的方式來對電動機(jī)及整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制與監(jiān)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(hù)系統(tǒng)，可以根據(jù)反饋信號隨時(shí)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)與監(jiān)視，充分保證了系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5)　在調(diào)試過程中可以根據(jù)現(xiàn)場的工作環(huán)境來設(shè)置各種保護(hù)參數(shù)和起動參數(shù)，可以更好的適應(yīng)現(xiàn)場的工況。

6)　體積比較小，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，噪音小。

5．　結(jié)束語

　　晶閘管串聯(lián)式高壓軟起動在壓縮機(jī)等平方轉(zhuǎn)矩類負(fù)載的應(yīng)用方面，能夠有效的改變電機(jī)的起動特性，降低起動電流，以其優(yōu)越的性能，為電動機(jī)提供全面的服務(wù)，保證了整個(gè)傳動系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在降低系統(tǒng)整體的維護(hù)工作量的同時(shí)，晶閘管軟起動裝置本身又可以做到免維護(hù)，使整個(gè)生產(chǎn)成本降低，具有較好的投資回報(bào)和社會效益，符合時(shí)代進(jìn)步的要求，是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。