具有电压检测功能的大功率设备软启动器设计

杨凤彪，禹飞舟，刘 云，闫建生

（1.军械工程学院 电气工程系，河北 石家庄 050003；2.军械工程学院 训练部装备处，河北 石家庄 050003；3.河北普兴电子科技有限责任公司 综合管理部，河北 石家庄 050200）

在大功率用电设备中，输入端电源一般采用AC380V三相交流市电，在设备的整流环节一般采用容量较大的电容器作为滤波、稳压器件，根据ic=Cduc/dt可知，在设备上电瞬间，由于电容两端初始电压为零，而整流输出电压较高，必然造成电容电压的高速变化，引起较大的冲击电流[1]。对电网而言，较大的冲击电流可能照成断路器跳闸，造成停电事故，影响其它共网设备的运行；对于设备本身而言，大的冲击电流可造成较大的动态电动应力，容易引起内部器件或导线的位移，使连接松动，降低设备的可靠性；如果冲击电流高于整流器件的最大承受能力，在启动瞬间就会造成整流器的烧毁，进而引起设备的其它故障，因此，在大功率设备中须采用各种措施限制冲击电流的大小。此外，在设计大功率电路软启动控制器时，往往只注重对冲击电流的限制，而忽略了交流输入电压的影响，输入电压正常变化范围一般限定为AC380V±15%，如果输入电压过低或过高，必然会造成大功率设备内部控制器件及电路工作的不稳定，严重时还会造成设备故障，因此，在软启动控制器中设置输入电压检测电路是非常必要的[2]。

1 软启动控制器设计

1.1 软启动控制器的结构

具有输入电压检测功能的大功率电路软启动器结构原理如图1所示，根据功能可分为3部分，分别为整流滤波电路、输入电压检测电路、软启动电路。

整流滤波电路包括整流桥U1、滤波电容C1、C2，将输入的三相交流电整流滤波成直流，其中C1、C2的性能参数一致。输入电压检测电路包括电压互感器UV1、UV2和继电器K1[3]，输入的AC380V市电经电压互感器检测，如果输入电压在限定范围内，在控制电路的作用下，继电器K1工作，交流市电加到整流桥U1的输入端。在输入电压检测电路中，采用两个电压互感器，分别接在不同的任意两相之间，当三相输入市电出现一相或两相缺相、三相电压不平衡等故障，都可以被电压互感器检测到，进而影响继电器K1的动作。软启动电路包括继电器 K2、限流电阻 Rx、采样电阻 Rs1、Rs2和滤波电阻Cs。整流输出电压首先经限流电阻Rx向滤波电容C1、C2充电，经采样电阻对电容电压进行采样，达到限定值后，控制电路驱动继电器K2工作，将限流电阻Rx短接，系统正常工作。

图1 具有输入电压检测功能软启动控制器结构Fig.1 Structure of soft startup controller that havefunction of voltage detect

1.2 输入电压检测电路

输入电压检测电路如图2所示，主要由运放Uq及相关器件组成的欠压检测电路、由运放Ug及相关器件组成的过压检测电路、由三极管D3构成的驱动放大电路3部分组成[4-5]。电阻R3、R4为欠压检测电路提供基准信号，输入到电压比较器Uq的同相端。电压互感器UV1的输出电压经整流桥U2整流滤波后，输出平稳的直流电压UZ1，经电阻R1、R2分压滤波后加在运放Uq的反相端。

图2 输入电压检测电Fig.2 Detect circuit of input voltage

输入电压在缺相、欠压等情况下，电压互感器UV1的输出端电压减小，造成运放Uq反相端电压小于同相端电压，Uq输出高电平，使PNP型三极管D3截止，继电器K1线圈不能得电工作，K1常开触头不闭合，如图1所示，交流输入电压不能施加到用电设备。过压检测电路的基准电压由电阻R7、R8提供，输入到运放Ug的反相端。电压互感器UV1的输出电压经电阻R5、R6加在运放Ug的同相端，如果该电压高于基准值，运放Ug输出高电平，使三极管D3截止。如果交流输入电压在正常范围内，则Ug、Uq输出低电平，三极管D3导通，继电器K1工作，触头闭合后接通设备的交流输入。

根据上述分析可知，在过压或欠压情况下，两个运放中必然一个输出高电平，另一个输出低电平，为了防止运放输出的高电平将输出低电平的运放损坏，运放的输出由二极管D1、D2相隔离，如图2所示，同时，该电路组成“或”运算电路，保证电压检测的可靠度。

1.3 软启动控制电路

软启动控制电路如图3所示，根据功能原理，改电路包括由运放Ur及相关器件组成的电压比较电路、由运放Us及相关器件组成的自锁环节、由NPN型三极管D6构成的驱动放大电路3部分。电阻R12、R13构成基准信号电路，将基准信号施加到运行Ur的反相端和Us的同相端。当设备交流输入电源符合范围要求时，整流输出电压Uzd经限流电阻Rx向整流滤波电容C1、C2充电，电压采样电阻RS2两端电压也随之升高，当该电压高于运放Ur反相端电压时，运放Ur输出高电平，使三极管D6导通，继电器K2工作，其常开触头闭合，短接限流电阻Rx，整流输出电压Uzd直接加在滤波电容C1、C2两端，实现系统的软启动。

软启动时间受限流电阻Rx阻值、C1和C2容量的大小限制，阻值、容量越大，电容充电时间越长，系统软启动时间相应增加。

图3 软启动控制电路Fig.3 Control circuit of soft startu

在软启动过程中是不允许设备有输出的，因为带载启动时，电容C1、C2需要向外输送能量，由于电阻Rx的限流作用，电容输出的能量不能够得到及时补充，其端电压势必保持在较低水平，造成运放Ur的输出端保持低电平，继电器K2的触头不能闭合，限流电阻Rx始终处于高压降状态，需要消耗大量电能，严重时发生Rx烧爆的故障。因此，在该电路中设置使能输出信号Ukz，作为设备内部控制电路工作的使能信号，如图3所示。在软启动过程中，Ukz为低电平，设备内部控制电路不工作，设备无输出。当电容C1、C2端电压高于设定的阈值时，运放Ur输出高电平，为了保证继电器K2可靠闭合后设备内部控制电路才能工作，采用电阻R16和电容C7构成延时环节，使信号Ukz在逻辑上滞后于Ur的高电平输出。

在设备完成软启动并带载运行时，滤波电容C1、C2的端电压必然有所降低，在最不利的情况下，如交流输入电压达到下限值时，可能会出现运放同相端采样电压小于反相端基准电压的现象，造成继电器K2线圈断电，将限流电阻重新串入，这种情况同样会出现Rx被烧爆的故障。因此，在图3中设计了自锁环节，在运放Ur输出高电平使三极管D6导通后，由于三极管CE极饱和导通压降只有0.1～0.3 V左右，运放Us的输出电压翻转，变为高电平，保证三极管D6的导通状态。由于运放Ur、Us构成“或”运算，即使设备带载运行使电容C1、C2端电压下降也不会造成继电器K2的断电，保证了系统运行的可靠性。

2 软启动波形测试

软启动过程中电容C1、C2端电压 （Udc）的波形如图4所示。初始阶段，由于电容初始电压为零，电阻Rx承受全部电压，充电电流大，电容电压上升速度较快。在中后期，由于电容电压的不断上升，充电电流逐渐减小，电容电压上升的速度越来越慢。当电容电压上升到530 V左右时，继电器K2工作，电阻Rx被短接，电容电压跳变，幅度约为50 V，使电容C1、C2端电压跃变的幅度大大减小，从而限制了冲击电流。由于整机体积等方面的限制，电容C1、C2的容量不能任意扩充，当设备带载运行时电压波形开始下降，并趋于稳定。在稳定运行时，由于电容不断进行充放电，其端电压波形出现交流纹波。

图4 软启动电压波形Fig.4 Curve of voltage while soft startup

3 结束语

文中设计的大功率电路软启动器兼备输入电压检测、输出逻辑控制、运行自锁等功能，能够根据电容电压的变化自动完成软启动的控制过程，在输入电压较高的情况下也能限制电容电压跃变的幅值，避免了采用时间继电器进行软启动控制时电容电压跃变幅值难以控制的缺点[3]。具有电压检测功能的大功率电路软启动器结构简单、工作可靠，可广泛应用于电源输入端需进行AC/DC变换[7]的大功率设备。

[1]吴玉强.一种用于DC/DC的软启动电路[J].中国集成电路，2010（9）：54－58.WU Yu-qiang.A kind of soft startup circuit for DC/DC[J].China Integrated Circuit，2010（9）：54－58.

[2]杨洁.大功率设备软启动的方式及优缺点比较[J].科技信息，2011（4）：411.YANG jie.Comparative studies on virtue and fault of soft startup mode in high power equipment[J].Science &Technology Information，2011（4）：411.

[3]杨帮文.新型继电器实用手册[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[4]冈村迪夫.OP放大电路设计[M].王玲，徐雅珍，李武平，译.北京：科学出版社，2005.

[5]松井邦彦.OP放大器应用技巧100例[M].邓学，译.北京：科学出版社，2006.

[6]硅谷.开关电源软启动电路设计[J].硅谷，2011（16）：113.Silicon Valley.The design of soft-start circuit for DC-DC switching regulator[J].Silicon Valley，2011（16）：113.

[7]徐文城，刘尧，王秀荣.基于Buck－Boost电路的宽输出电压AC－DC电源设计[J].现代电子技术，2012（12）：192－194.Design of wide output voltage AC-DC power supply based on buck-boost circuit[J].Modern Electronics Technique，2012（12）：192－194.