軟啟動器總結

-.z軟啟動器軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為SoftStarter。利用晶閘管的電子開關特性，通過軟啟動器中的控制元件，控制晶閘管觸發(fā)脈沖的出現(xiàn)時刻來改變觸發(fā)角的大小，從而改變晶閘管的導通時間，最終改變加到電機定子繞組的三相電壓的大小。軟啟動是通過采用降壓、補償?shù)燃夹g手段，實現(xiàn)電動機及機械負載的平滑啟動，減少啟動電流對電網(wǎng)的影響程度，使電網(wǎng)和機械系統(tǒng)得以保護。軟起動器的特點:(1)起動電流以一定的斜率上升至設定值,對電網(wǎng)無沖擊。(2)起動過程中引入電流負反響,起動電流上升至設定值后,即維持恒定值,使電機起動平穩(wěn)。(3)不受電網(wǎng)電壓波動的影響,由于軟起動以電流為設定值,電網(wǎng)電壓上下波動時,通過增減晶閘管的導通角,調節(jié)電機的端電壓,仍可維持起動電流恒值,保證電機正常起動。(4)針對不同負載對電機的要求,可以無級調整起動電流設定值,改變電機起動時間,實現(xiàn)最正確起動時間控制。1．電動機啟動問題異步電機在起動時,如果施加額定電壓,則起動電流將到達7~10Ie。除了小型電機外,一般都采用降壓起動的方式。傳統(tǒng)的方式有Y-△起動,串電抗器降壓起動,自耦變壓器降壓起動、延邊三角形起動,上述種種方式,在起動過程中,都有一個線圈電壓切換過程,因而對電網(wǎng)存在兩次沖擊,軟起動器則不存在該現(xiàn)象。2．軟啟動器方式電機的軟啟動方式有斜坡恒流軟啟動、轉矩控制軟啟動、階躍軟啟動、電壓控制軟啟動和轉矩加突跳控制軟啟動。圖1為斜坡恒流〔限流〕軟啟動原理圖。這種啟動方式是在電動機啟動的初始階段啟動電流逐漸增加，當電流到達預先所設定的值Im后保持恒定，啟動過程中輸出電壓一直增大，電機持續(xù)加速到額定速度，當速度到達額定值后啟動完畢，用旁路器切除軟啟動器，電機電流恢復到額定值IN。啟動過程中，電流上升變化的速率是可以根據(jù)電動機負載調整設定的。這種啟動方式最大的優(yōu)點是：電流上升速率大，啟動轉矩大，啟動時間短。圖1限流啟動原理圖〔2〕圖2為軟啟動器轉矩控制啟動原理圖。如果電動機帶重載啟動，采用轉矩控制啟動將會表達出巨大的優(yōu)勢。轉矩控制啟動過程中，電機啟動轉矩受到線性控制，從一個較小的值Tst逐漸增大，直到增大到最大值Tem，隨著電機啟過程的完畢，轉矩降至額定值TN并保持不變。從圖中的啟動曲線來看，曲線過度平滑，柔性好，能夠很好的保護負荷，延長拖動系統(tǒng)的使用壽命。采用這種啟動方法有效減小了啟動電流，可使電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊降到最低。但這種啟動方式也有明顯的缺乏，從啟動曲線上明顯看出電機從啟動開場到轉矩上升到最大值所用的起動時間很長，對要求啟動迅速的生產(chǎn)系統(tǒng)并不適用。圖2轉矩控制啟動原理〔3〕圖3為斜坡電壓軟啟動原理圖。啟動時輸出電壓迅速升至U0〔電機啟動時的電壓值，此時啟動轉矩剛好保證電機啟動，為最小值〕，隨著啟動過程的進展電壓逐漸升高到額定值UN，啟動完畢，用旁路器切除軟啟動器。圖3斜坡電壓啟動原理這種啟動方式最簡單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調整晶閘管導通角，使電壓與時間成一定函數(shù)關系增加。其缺點是，由于不限制啟動電流，在電機啟動過程中，對于特殊的負荷有時要產(chǎn)生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，而且對電網(wǎng)沖擊較大。同時，開場啟動時轉矩很小，電機的負荷很大，長期應用容易燒壞電機，實際生產(chǎn)控制中很少應用。〔4〕圖4為階躍啟動控制原理圖，這種啟動方式開場時，很短的時間t1內電流迅速上升到stI′，再繼續(xù)啟動。Ist為全壓啟動電流值，IN為額定值。采用這種方式啟動時間短，但沖擊大。圖4階躍啟動控制原理〔5〕圖3-14為轉矩加突跳控制啟動原理圖，轉矩加突跳控制啟動與轉矩控制起動方式類似，主要用于通風機類負載。不同之處在于啟動開場后很短的一個時間t1內〔100ms左右〕施加一個脈沖電壓造成轉矩突然增大〔轉矩突跳〕，以此來抑制大負載的制動轉矩，然后再和轉矩控制起動方式一樣，電機轉矩繼續(xù)平滑上升，直至啟動過程完畢，這種控制方式可有效縮短啟動的時間。但是，突跳會給電網(wǎng)反響一定的尖脈沖，造成電網(wǎng)波動，干擾其它負荷的正常運行。圖5轉矩加突跳控制啟動原理從上面軟啟動器各種啟動情況來看，軟啟動器除了完全能夠滿足電動機平穩(wěn)起動的要求，抑制了因降壓啟動帶來的轉矩缺乏和二次電流沖擊問題。啟動開場時無論采取哪種方式，軟啟動器實際上是靠將自身電壓以斜坡式從零抬升至最大值。由于電機轉矩與電壓平方成正比，軟啟動器連接的電動機無法從一開場就獲得最大轉矩。3．軟啟動原理軟啟動按限流器件不同可分為：以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟啟動；以電解液限流的液阻軟啟動；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟啟動。下面主講晶閘管啟動方式?！?〕晶閘管軟啟動工業(yè)上使用的軟啟動器內部構造多采用圖6所示的三相交流調壓電路，該電路是由三組反并聯(lián)的晶閘管或三只雙向晶閘管并聯(lián)組成，電源通過三相交流調壓電路向電機供電。電機啟動時，通過觸發(fā)電路改變三相交流調壓電路中各只晶閘管的觸發(fā)角來改變電路的輸出電壓，隨著輸出電壓的改變，電機的定子電流、轉矩、轉速等物理量也將發(fā)生改變，開場啟動過程。隨著調壓電路輸出的電壓逐漸增加，電機的速度也越來越快，當電動機轉速到達額定值時，啟動過程完畢，此時利用旁路器切除軟啟動器，電機進入正常運行狀態(tài)。交流調壓電路中的晶閘管的控制方式有兩種：一是將晶閘管作為這樣一種開關，在電源電壓每一周期中，在選定的時刻內將負載電路與電源接通，改變選定的時刻可到達調壓的目的。這種控制方式被稱為相位控制方式；二是把晶閘管作為開關，將負載電路與電源接通幾個周波，然后再斷開一定周波數(shù)。通過改變接通時間與切斷時間之比即周波控制方式來調壓，從而到達調壓的目的。這種控制方式被稱為通-斷控制方式。圖6三相交流調壓電路主電路〔2〕晶閘管觸發(fā)角的推導和其它晶閘管電路類似，負載性質決定了交流調壓電路的工作情況。因此把電機等效成阻感性負載進展分析。三相交流調壓電路可以看作是由三個單相交流調壓電路并聯(lián)組成的，就以單相交流調壓電路的觸發(fā)角為例進展推導，以此來證明三相交流調壓電路的觸發(fā)角特點。當單相交流調壓電路負載為交流電機這一類阻感性負載時，晶閘管的工作情況與具有電感負載的整流電路類似。當電源電壓過零時，由于電感的存在，電流還未到零，晶閘管還不能關斷，需要滯后一個阻抗角()φ=arctanωLR，電流才能到零。晶閘管VTl、VT2的導通角θ的大小與控制角α和負載阻抗角φ有關，下面按兩種情況進展分析。a)當α﹥φ時當控制角為α時，晶閘管導通時電壓波形初相角為α。這時通過晶閘管VTl的電流有兩個分量，即穩(wěn)定分量i1和自由分量i2。式中τ=L/R為自由分量衰減的時間常數(shù)。通過晶閘管的負載電流i0為隨著電壓下降過零進入負半周，電路中的電感能量釋放完畢，管子電流到零關斷。取ωt=0時管子導通，ωt=θ時管子關斷，θ即為管子的導通角。當ωt=θ，i0=0。從上式可得：可推導出各角之間的關系。當α>φ時，θ<180。對交流調壓器來說其負載電路處于電流斷續(xù)狀態(tài)。其電壓輸出的有效值為：b〕當α≤φ時當α=φ時，從公式〔3-2〕可得出負載自由分量i2=0。把它帶入公式可求得晶閘管的導通角θ=180。所以通過兩個晶閘管的負載電流值為:這時的電流波形是一個完整的正弦波，但此時晶閘管已經(jīng)失去了控制作用，負載電流處于連續(xù)狀態(tài)。此時相控的作用已經(jīng)完全失去了。當α<φ時，從公式〔3-中，可得出當ωt=0時，負載電流的穩(wěn)態(tài)分量變?yōu)樨撝担杂煞至孔優(yōu)檎?，晶閘管的導通出現(xiàn)了大于180°的情況。如果觸發(fā)晶閘管的是窄脈沖，則ωt=0時，α=0觸發(fā)VTl后，當ωt=π時去觸發(fā)VT2時，由于VTl還沒有關斷，VT2無法導通。待VT1電流到零關斷，VT2的觸發(fā)脈沖已經(jīng)不復存在，VT2還是無法導通。當ωt=2π時，VT1又觸發(fā)導通。這樣使得負載上正負半周的電壓不相等，回路中將出現(xiàn)直流分量，電路將無法工作。根據(jù)以上分析，可以得到結論：交流調壓電路帶阻感性負載時移相*圍應當控制在φ<α<180。這樣做的目的是為了電路的穩(wěn)定與可靠，晶閘管觸發(fā)電路應使用寬脈沖觸發(fā)信號以防止出現(xiàn)無法工作的情況。4．基于AT89C51的晶閘管觸發(fā)電路〔1〕硬件電路設計硬件電路以ATMEL公司的AT89C2051單片機為核心，包括晶閘管過零檢測電路、控制器投切命令電路、脈沖隔離放大電路等幾局部組成，硬件框圖如圖7所示。圖7硬件框圖〔2〕過零檢測電路晶閘管投入電容器的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位一樣的時刻嗍。因為根據(jù)電容器的特性，當加在電容上的電壓有階躍變化時，將產(chǎn)生沖擊電流，會損壞晶閘管且給所在電力系統(tǒng)帶來高頻振蕩等不利影響。所以設計了晶閘管過零檢測電路來解決殘壓測量的難題。晶閘管過零檢測電路如圖8所示。圖8過零檢測電路當電源電壓與電容器的殘壓相等時，晶閘管上電壓為零．光電耦合器就會輸出下降沿負脈沖至單片機INTO、INT1管腳，如果此時控制器投入指令存在，此脈沖就會經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脈沖串去觸發(fā)晶閘管，保證晶閘管的導通，平穩(wěn)投入電容器；當電源電壓與電容器的殘壓不相等時，晶閘管上電壓不為零．光耦導通．接到單片機的INT0、INT1呈高電平，在軟件中設置此種情況不產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，晶閘管呈關斷狀態(tài)。〔3〕晶閘管觸發(fā)主電路晶閘管觸發(fā)主電路如圖5所示。電路以AT89C2051單片機為核心．采用8M晶振定時器工作方式。PIEl用作觸發(fā)晶閘管的脈沖輸出，P3口用作晶閘管過零信號檢測。其管腳具體連接見圖9。其工作過程是：當單片機通過投切命令電路接到電容器投人指令時，P1．0ORDER管腳會呈高電平。此時檢測電路檢測晶閘管是否過零，當檢測到晶閘管過零時，單片機INT0、INT1管腳會觸發(fā)中斷，單片機進人脈沖中斷程序，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖．在單片機P1口輸出去驅動脈沖問。單片機輸出的觸發(fā)脈沖信號為高頻調制脈沖，所以脈沖變壓器采用高頻變壓器，體積小，不發(fā)熱，易安裝，二極管均采用快速二極管fl1。工作原理是：當單片機高頻脈沖輸出時，三極管立即進入導通狀態(tài)，由于電容cq的瞬間短路作用，使得脈沖變壓器的原邊得到信號為+24V的尖峰脈沖，它可以用作晶閘管的