高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的解決方案
1．引言
交流異步電動機(jī)以其構(gòu)造簡單、極高的運(yùn)行可靠性、極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和優(yōu)異的拖動性能在我國煤礦、石油、化工、鋼鐵、發(fā)電、供水、水泥建材等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是交流異步電動機(jī)致命的缺點(diǎn)是起動沖擊大，會對系統(tǒng)造成不利的影響。主要影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面：
（1）電氣方面的問題：
起動時(shí)可達(dá)5-7倍的額定電流，造成電動機(jī)繞組因電流引起過溫，從而加速其絕緣老化，造成供電網(wǎng)電壓波動，影響同電網(wǎng)下其他設(shè)備的正常運(yùn)行。
（2）機(jī)械方面的問題：
過大的起動轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機(jī)械沖擊，對被帶動的設(shè)備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機(jī)械傳動部件的非正常磨損及沖擊，加速老化，縮短壽命從而增加維護(hù)工作量。
在首鋼冷軋廠制氮生產(chǎn)線空壓機(jī)上就遇到了這樣的問題，由于電機(jī)功率比較大（10KV/3730KW和10KV/2250KW），首先在起動過程中對電機(jī)及壓縮機(jī)的機(jī)械沖擊比較大，給系統(tǒng)維護(hù)增加了工作量；其次電機(jī)在直接起動時(shí)電網(wǎng)跌落比較嚴(yán)重，在電網(wǎng)壓降達(dá)到85%時(shí)其他設(shè)備就不能正常工作。鑒于以上原因決定使用PowerEasy型晶閘管式軟起動裝置。
2．晶閘管串聯(lián)高壓軟起動的構(gòu)成及原理
2.1 主回路構(gòu)成
晶閘管串聯(lián)軟起動裝置是結(jié)合了電力電子技術(shù)、光電技術(shù)控制技術(shù)及微處理技術(shù)而設(shè)計(jì)全數(shù)字智能化的起動設(shè)備。晶閘管串聯(lián)軟起動主回路接線圖如圖1所示，主要由高壓可控硅串聯(lián)閥組和旁路接觸器組成，其中高壓可控硅串聯(lián)閥組是功率變換執(zhí)行部件，由多只可控硅串并聯(lián)組成，并輔以吸收、均壓箝位電路，保證其在高壓環(huán)境中的可靠性。當(dāng)進(jìn)線端得電后，通過控制可控硅的導(dǎo)通角以實(shí)現(xiàn)對交流三相電源進(jìn)行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動過程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動裝置切換到旁路狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉晶閘管。
高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的解決方案
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。
高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的解決方案
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IG的電流幅值大于或等于10IGT，脈沖上升沿時(shí)間tr≤1μs�？傊榱吮ＷC晶閘管閥串工作的可靠性，IG要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于IGT。
（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)：
高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的解決方案
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Z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。
高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的解決方案
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D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Z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。
高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的解決方案
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D的沖擊，影響同一電網(wǎng)下其他負(fù)荷的工作。
高壓軟起動在壓縮機(jī)負(fù)載上的解決方案
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
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