晶闸管软起动控制器硬件系统设计

杨勇

【摘 要】本文阐述了三相异步电动机晶闸管软起动的控制原理，并对软起动器的硬件系统进行了设计，说明了晶闸管软起动控制器的实用性和优越性。

【关键词】三相异步电动机;晶闸管;软起动控制器;硬件系统

0 引言

三相异步电动机直接启动时电流值可达额定电流值的4～7倍，如此大的启动电流会对电网造成严重的冲击，引起过大的电压降落，降低电网电能质量并影响其他设备的正常运行;过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击，影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。三相异步电动机晶闸管软起动可以有效的控制电动机的启动电流，提高电网的供电质量，同时可以保护传动机构和电动机。所以设计一种优良的晶闸管软起动控制器具有非常重要的意义。

1 晶闸管软起动控制原理

软起动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软起动器起动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑起动，降低起动电流，避免起动过流跳闸。待电机达到额定转速时，起动过程结束，软起动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额 定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软起动器同时还提供软停车功能，软停车与软起动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

2 晶闸管软起动器硬件系统设计

2.1 软起动器的硬件结构

软起动器的主要部分包括主回路、控制回路、驱动电路和保护回路等。主回路主要由并联的三对反向晶闸管和接触器组成，通过控制双向晶闸管阀的导通角实现改变加载在三相异步电动机端电压的策略;而接触器的主要作用是在软起动过程完成后，把双向晶闸管从三相电源中切除，在软停车时，将软起动装置接到主回路中，通过控制晶闸管阀的导通角调节电动机端电压实现软停车。控制回路和驱动保护回路包含了电压检测，电流检测，控制器，晶闸管触发电路，接触器驱动，显示器和辅助开关电源等。

2.1.1 電压检测

电压母线上的高压电经变压器后转变为低压信号，该低压信号即电压检测电路的信号源。电压检测回路实现两个功能。其一是同步信号的检测功能，采样三相电压的过零时刻，作为晶闸管触发信号的同步信号;其二是将三相电源电压信号通过变压器降压后转变成直流信号，再经A/D转换后送入DSP中，用以电压负反馈调节，故障检测，过压和欠压保护。

2.1.2 电流检测

通过霍尔传感器将三相异步电动机机端三相电流信号转换成电压信号，再将这个电压信号经过A/D转换后送入到DSP中，用以电流负反馈调节、故障检测和过流保护。

2.1.3 晶闸管触发系统

利用DSP给出的控制信号，经脉冲变压器后送出一定脉宽的脉冲信号驱动晶闸管的导通，并通过控制晶闸管导通角来改变加载在三相异步电动机机端的电压大小。

2.1.4 晶闸管保护电路

在软起动功能完成以后，利用DSP给出的控制信号，经驱动电路后驱动接触器动作，将软起动器从控制回路中断开。

2.1.5 控制核心DSP芯片

是系统控制的核心单元，主要负责对检测信号的处理，晶闸管触发角的计算，给出晶闸管和接触器的驱动信号，接收来自上位机的控制信号，反馈数据等。

2.1.6 显示器

其功能分为两个部分，一是通过显示器来设定起动方式、起动初始电压、恒流起动值、起动时间、软停车时间等;另外，要通过显示器来实时显示三相异步电动机起动、运行的状态，如电压、电流、功率因数角等，并且要实时显示故障状况，即在发生故障时，显示出故障的原因，便于检修和处理。

2.2 软起动器重要部分的功能以及具体实现方法

2.2.1 过零同步信号采集电路

本系统采用A相电压过零点为系统的零相位同步。采样过程为：将A相电压经滤波电容后进行电压跟随，以提高其信号的驱动能力，电压跟随后的信号进行过零比较，形成过零同步脉冲信号，该信号输入到DSP芯片进行A/D采样及相关运算。

2.2.2 电压信号采集电路和电流信号采集电路

三相电压采集电路相同，现仅以A相为例进行介绍。A相电压经跟随器后进行半波整流，半波整流后的电压信号经过滤波回路后的信号即为电压采样信号，该信号经DSP运算后，作为电压反馈控制的反馈量和故障保护的相关判断量。电流检测回路，其工作过程为：先用电阻将电流信号转换为电压信号，再经过全波整流电路及滤波电路将电压信号转换为DSP芯片可以接收和处理的信号。

2.2.3 晶闸管触发系统

触发系统是控制器与主电路的连接环节。控制器产生的触发信号经过光纤传输到触发控制电路板，经过功率放大后施加到开关器件的门极。主电路与控制器的连接都是通过光电耦合来实现主回路与控制部分的电气隔离。为保证对晶闸管阀的可靠触发，对晶闸管门极触发脉冲有如下要求：（1）触发脉冲应有足够的功率，触发脉冲的电压、电流应大于晶闸管要求的数值并留有一定裕量;（2）触发脉冲的相位应在规定范围内移动;（3）触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步、同频且具有固定的相位关系，使每一周期能在同样的相位上触发;该系统中，由控制芯片DSP发出的晶闸管触发脉冲，经过光耦后通过光纤传送到脉冲功率放大电路，经该电路功率放大，即满足触发脉冲的功率要求后，由脉冲变压器传送给晶闸管阀的各个晶闸管的门极，对晶闸管进行触发。

2.2.4 晶闸管阀结构设计

由于单个晶闸管元件的额定电压有限，而且晶闸管元件只能单向导通，为了实现连续的调压，需要用一对反并联晶闸管元件构成一个晶闸管单元，再将N个晶闸管单元串联构成晶闸管阀。在考虑晶闸管元件成本的同时，应采用额定参数值大的元件，这样可以减少元件的串并联数，简化阀组的触发系统和减少均压等辅助组件。 晶闸管是一种电力半导体器件，固有电气脆弱性，在使用过程中必须辅助以相应的保护电路对晶闸管元件进行必要的保护。对于晶闸管的串联实用，必须进行特殊的设计以保证阀的可靠运行。

3 结束语

该软起动控制器采用单片机进行智能化控制，不但克服了传统起动方式的弊端，而且从根本上解决了三相异步电动机起动时带来的问题。该软起动器是一种集控制、自诊断和保护于一体的小型化，多功能控制器。通过改变控制参数，就能改变三相异步电动机的起动特性，保证负载在要求的起动特性下平滑起动，并降低电动机起动时对电网的冲击，充分体现了电子软起动灵活、方便、适应性强的特点。

【参考文献】

[1]高永生.三相异步电机的软起动控制系统[J].甘肃科技，2005，21（8）：100-101.

[2]何报杏.中压异步电动机的软起动[J].电气时代，2002（6）：53-54.

[责任编辑：杨玉洁]