中高压软启动控制器的设计

2021-02-27王党树王新霞娄嘉南

实验室研究与探索 2021年1期

王党树，王新霞，娄嘉南

（西安科技大学a.电气与控制工程学院；b.理学院，西安710054）

0 引言

电动机是现代工、农业生产和交通运输的重要设备，据统计，三相异步电动机动力设备占据一定比例，目前生产现场用到的异步电动机，启动方式大都采用的是直接启动，直接启动方式不需要外围控制电路、操作简单且启动转矩相对较大［1］。因此在电网允许条件下，大部分电动机依然采用的是直接启动［2］。异步电动机在额定电压下直接启动时的启动电流约为额定电流的5 ～7 倍。由于启动电流大，会使电网电压短时间内降落很多，造成电动机起动转矩减小很多，启动困难，还影响电网上其他设备的正常运行［3］；同时过大的启动电流将会在电动机轴上产生过大的电磁转矩，对电动机的冲击会造成电动机不同程度的损坏。因此在电动机频繁启、停的生产设备中，要获得较好的启动曲线，需要在电动机启动过程中加入软启动环节［4］。软启动器（soft starter）是一种基于交流调压器原理，集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置。软启动器相对于传统的启动方式，具有无级调节、冲击转矩和冲击电流小的优点［5］。文献［6］中利用改变电源电压频率实现软启动。文献［7］中引入电流闭环控制，使电动机在启动过程中保持电流恒定，以确保电动机平稳启动。目前软启动器启动方式有：限流软启动、电压斜坡软启动、转矩控制软启动等方式［8］。本文采用PI 控制器控制的软启动方式，相比于其他方式具有抗扰性高、作用速度快、误差小等优点。

1 晶闸管软启动方案

晶闸管软启动原理：实时检测电动机启动时电流值，送入TMS320F28335 控制器中，并与电动机启动后平稳运行电流值做差，对该差值进行PI 调节后输出PWM信号，该信号经整形放大后，在同步信号作用下控制串联在电源与电动机之间晶闸管的导通，使电动机电压由零平稳上升至三相异步电动机额定工作电压，启动电流在安全值范围内。

根据启动原理，晶闸管软启动方案如图1 所示：主要由晶闸管、电压检测回路、触发驱动电路、控制器等组成［9］。此外设计实现故障检测、过压、欠压保护的功能［10］。

图1 晶闸管软启动系统原理框图

2 软启动器的硬件组成

如图2 所示。利用电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制过电压［11］。系统主电路是由三组反并联晶闸管组成的三相调压电路。在双向晶闸管和三相电源之间接入接触器，在软启动过程中，接触器断开，软启动完成后接触器闭合。同理，在软停车过程中，接触器再次断开，软启动器投入到停车运行。为防止过电压烧坏晶闸管，在每对反并联的晶闸管两端并联阻容吸收回路。

图2 软启动器主电路图

2.1 同步信号检测

在三相调压电路主回路中，触发角α 的起始位置与软启动器的控制有着紧密的联系。为保证各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的相位关系，同步检测是软启动器设计中必不可少的一个环节［12-13］。同步检测电路由电压比较器、光电耦合器等组成，如图3 所示，电压比较器采集电压过零点，当电网电压由零变正时，比较器输出高电平，光电耦合器截止，DSP 控制器引脚接收到高电平；同理当电网电压由正变负时，比较器输出低电平，光电耦合器导通，DSP控制器引脚接收到低电平。

图3 同步信号检测电路图

2.2 脉冲整形及放大回路

晶闸管的触发是软启动器的重要部分，能否及时、有效的触发晶闸管是实现软启动的关键［14］。脉冲整形与放大电路如图4 所示，由DSP 的PWM 模块产生具有一定相移的6 路PWM 信号，经三极管放大，脉冲变压器驱动后，输出具有一定功率的触发信号到晶闸管的门极，如果此时晶闸管两端的电压为正，则晶闸管在门极控制下导通。图中D1为反向保护二极管，用于防止Q1关断时脉冲变压器释放磁场储能所形成反向电压加到晶闸管的门极。R5、C2可提高抗干扰能力，降低门极输入阻抗，C2越大，脉冲前沿陡度越差，故C2不宜太大，一般取C2＝0.01 ～0.1 μF，R5＝100 Ω左右。

为了防止脉冲变压器饱和以及缩短续流时间，续流回路中的二极管的稳压值应该尽量大一些。脉冲变压器副边的二极管回路确保了一组正的脉冲信号输出。该回路中脉冲变压器具有功率放大和隔离的作用。

图4 晶闸管触发回路

2.3 接触器控制回路

接触器控制回路是在软启动完成以后，通过接触器控制回路把软启动器从三相工频电源退出来，使软启动器只工作在电动机软启动和软停车时，以提高软启动器的使用时间，延长它的寿命。

接触器控制回路一般需要较大的驱动功率，因此采用的两级驱动方式，首先通过DSP的输出驱动继电器，再通过继电器驱动三相交流接触器。DSP 通过三极管驱动继电器，通过继电器的动作来控制交流接触器线圈得电，从而控制通断［15］。

3 系统主程序

主程序主要完成系统检测、变量初始化、参数修改、故障诊断、系统保护等任务，如图5 所示。

3.1 脉冲触发同步信号程序

触发模块与电源周期的同步在脉冲的产生中有着非常重要的作用。只有正确的同步信号才能保证可靠、有效的触发晶闸管，从而保证软启动的顺利完成。系统通过中断子程序触发晶闸管导通，以确保触发与电源周期同步。中断子程序流程图如图6 所示。

3.2 限流软启动控制算法

在本系统中，针对电动机在不同场合运行所要求的参数不同，简单的增量式数字PI调节是非常适合的控制方法，即

图5 主程序流程图

图6 中断子程序流程图

式中：un为第n次采样时刻的计算机输出值；un-1为第n-1 次采样时刻的计算机输出值；en为第n 次采样时刻输入的偏差值；en-1为第n -1 次采样时刻输入的偏差值；Ki为积分系数；Kp为比例系数。

电流计算子程序通过调用PI 子程序对给定电流信号和反馈电流信号进行PI控制算法运算，其输出对应晶闸管的触发角，电流环的两个输出限幅值（上限幅和下限幅）对应晶闸管触发角的最大值和最小值。在触发角小于功率因数角时，系统事实上已经没有调压作用，输出的下限幅值应该取电动机额定运行时的功率因数φ 值，约为30°，输出的上限幅值为150°［1］。

在本系统中，电动机启动的电流限幅值可以设置为1.0 ～4.0In，In可调。电流计算程序如图7 所示，调节器的比例、积分系数选择上要综合动态和静态来合理设置限流起动过程中的PI 参数，在限流起动时，要求电动机电流在最短的时间内，响应到设置的最大允许电流值，并努力维持该最大允许电流值，PI 参数不能太小，否则电动机电流的响应太慢，甚至无法启动。