高壓軟起動(dòng)在壓縮機負載上的設計應用
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關(guān)鍵詞：晶閘管、電動(dòng)機、觸發(fā)、軟起動(dòng)
1． 引言
交流異步電動(dòng)機以其構造簡(jiǎn)單、極高的運行可靠性、極強的環(huán)境適應能力和優(yōu)異的拖動(dòng)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)域獲得了廣泛的應用。但是交流異步電動(dòng)機致命的缺點(diǎn)是起動(dòng)沖擊大，會(huì )對系統造成不利的影響。主要影響體現在兩個(gè)方面：
（1）電氣方面的問(wèn)題：
起動(dòng)時(shí)可達5-7倍的額定電流，造成電動(dòng)機繞組因電流引起過(guò)溫，從而加速其絕緣老化，造成供電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響同電網(wǎng)下其他設備的正常運行。
（2）機械方面的問(wèn)題：
過(guò)大的起動(dòng)轉矩產(chǎn)生機械沖擊，對被帶動(dòng)的設備造成大的沖擊力，縮短使用壽命，影響精確度。如使連軸器損壞、皮帶撕裂等。造成機械傳動(dòng)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工作量。
在首鋼冷軋廠(chǎng)制氮生產(chǎn)線(xiàn)空壓機上就遇到了這樣的問(wèn)題，由于電機功率比較大（10KV/3730KW和10KV/2250KW），首先在起動(dòng)過(guò)程中對電機及壓縮機的機械沖擊比較大，給系統維護增加了工作量；其次電機在直接起動(dòng)時(shí)電網(wǎng)跌落比較嚴重，在電網(wǎng)壓降達到85%時(shí)其他設備就不能正常工作。鑒于以上原因決定使用PowerEasy型晶閘管式軟起動(dòng)裝置。
2． 晶閘管串聯(lián)高壓軟起動(dòng)的構成及原理
2.1 主回路構成
晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)裝置是結合了電力電子技術(shù)、光電技術(shù)控制技術(shù)及微處理技術(shù)而設計全數字智能化的起動(dòng)設備。晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)主回路接線(xiàn)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。當進(jìn)線(xiàn)端得電后，通過(guò)控制可控硅的導通角以實(shí)現對交流三相電源進(jìn)行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動(dòng)過(guò)程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動(dòng)裝置切換到旁路狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉晶閘管。
圖1 晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)主回路接線(xiàn)圖
如圖2所示，晶閘管串聯(lián)高壓軟起動(dòng)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界面組成。
圖2 軟起動(dòng)控制框圖
主控電路的主要由DSP微處理器及CPLD大規模門(mén)陣列組成的數字電路組成，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(guò)數字信號處理器（DSP）來(lái)發(fā)出。主控電路可以根據信號采集電路采集的電壓與電流信號來(lái)調整晶閘管的導通角，從而達到調整電機電流的作用，實(shí)現對電機的閉環(huán)控制，即限流起動(dòng)。在發(fā)出觸發(fā)脈沖的同時(shí)它又可以通過(guò)電壓電流溫度等的反饋信號監視電機及軟起動(dòng)裝置本身的運行狀態(tài)，保護整個(gè)系統，確保系統的安全運行。
2.2.2觸發(fā)系統
觸發(fā)系統是系統穩定可靠的關(guān)鍵部分，必須具有抗噪聲干擾的能力，能夠及時(shí)準確的導通可控硅。在這里主要存在兩個(gè)技術(shù)問(wèn)題：
1．觸發(fā)脈沖能夠及時(shí)準確的觸發(fā)晶閘管
晶閘管是一種電流控制型雙極型半導體元件，它要求門(mén)極的驅動(dòng)單元類(lèi)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(lái)保證在任何時(shí)刻都能夠準確可靠的觸發(fā)晶閘管。所以晶閘管的門(mén)極觸發(fā)脈沖特性對晶閘管的正常工作有非常強烈的影響。
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通，因為開(kāi)通較慢的可能會(huì )承受過(guò)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(kāi)通時(shí)間差盡量的小。
晶閘管的開(kāi)通速度主要和門(mén)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(shuō)門(mén)極觸發(fā)脈沖的幅值越大，脈沖上升沿越陡，晶閘管開(kāi)通的時(shí)間就越短。所以在電機軟起動(dòng)領(lǐng)域，絕大多數廠(chǎng)家都是采用強觸發(fā)方式來(lái)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?。為了保證晶閘管閥串工作的可靠性，IG要遠遠大于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，脈沖變壓器、直接光觸發(fā)和光纖觸發(fā)。脈沖變壓器結構簡(jiǎn)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)系統雖然可靠準確但是價(jià)格昂貴，很少被采用；光纖觸發(fā)系統可靠性好，雖然相比直接光觸發(fā)系統在電路上增加了一些復雜性，但是相對造價(jià)要低很多并且觸發(fā)準確可靠，所以在高壓應用上是首選，目前市場(chǎng)上的高壓軟起動(dòng)裝置的觸發(fā)系統基本上都采用光纖觸發(fā)系統。
在高壓軟起動(dòng)中觸發(fā)系統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(dòng)態(tài)均壓（即RC吸收回路）上的電容供應，這樣既避免使用高耐壓變壓器所帶來(lái)的高成本，又實(shí)現了電氣隔離，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(dòng)過(guò)程中適用，而在針對一些泵類(lèi)負載設計的軟停車(chē)過(guò)程中，由于在停止過(guò)程的后半段由于主回路中的電流越來(lái)越小，會(huì )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(chǎng)家的晶閘管軟起動(dòng)裝置在生產(chǎn)具有軟停車(chē)功能的產(chǎn)品時(shí)會(huì )單獨給觸發(fā)系統額外提供電源，這樣就增加了成本。而AB等一些國外公司的軟起動(dòng)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裝置，把變壓器的線(xiàn)穿過(guò)觸發(fā)板上的電流感應裝置，在觸發(fā)電路板上獲得感應電流，來(lái)充當電源的作用，這樣在軟停車(chē)的后期觸發(fā)板可以獲取足夠的功率來(lái)繼續觸發(fā)晶閘管，可以使軟停車(chē)的后期停車(chē)過(guò)程更加平穩，減少泵類(lèi)負載的水錘效應對管道和葉輪的沖擊。
2.2.3信號采集電路和人機界面
信號采集電路主要功能是采集各種信號并進(jìn)行預處理，然后把處理過(guò)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(dòng)廠(chǎng)家還采集溫度及轉速信號。電壓、電流信號一般通過(guò)互感器來(lái)進(jìn)行采集，在經(jīng)過(guò)處理后反饋回主控制電路，根據反饋的數據判斷電機及軟起動(dòng)裝置的運行狀態(tài)，發(fā)出觸發(fā)脈沖或者在系統整體運行異常時(shí)通過(guò)反饋信號判斷故障并發(fā)出保護命令。
人機界面電路一般有液晶屏和鍵盤(pán)組成，用來(lái)完成用戶(hù)的參數設置、選擇起動(dòng)模式以及顯示系統的運行狀態(tài)。在某些需要遠程控制的工況下，部分軟起動(dòng)裝置還加裝了遠程通訊模塊。
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