6 kV高压异步电机软起动的硬件设计

韩 蕾

（山西汾西矿业集团矿山设备管理中心， 山西 介休 032000）

为了解决高压异步电机起动时存在起动电流和起动转矩的冲击问题，必须使用辅助装置。传统的辅助装置基本采用降压起动的方式，如自耦降压起动、定子串电阻起动、定子串电抗器起动、磁控式起动等[1-5]，但由于它们自身结构性能的限制，仍存在起动电流和机械冲击过大的问题，越来越不能满足现代工业对高压软起动的需求。随着电力电子技术、集成电路、单片机微控制技术和控制算法的不断发展进步，相关学者和研究人员研制出更符合现代高压软起动需求的起动设备，如变频起动和晶闸管软起动[6-9]。

1 软启动的系统组成

本文设计的高压软起动硬件部分主要包括主电路和控制电路[4-5]。主电路主要由串联在各相的晶闸管阀组、晶闸管均压电路、旁路接触器等组成，通过控制晶闸管的导通角度实现改变加载在6 kV高压异步电机两端的电压，晶闸管均压电路分为静态、动态及电容均压电路，使加在晶闸管阀组上的电压、电流在安全裕量内；而旁路接触器起到保证晶闸管只在软起动和软停车时工作，避免因其长时间工作引起的发热问题，同时可以作为软起动故障时的备用选择。晶闸管串联高压软起动装置的控制电路由晶闸管触发模块、信号(电压、电流)采集电路、电源电路和人机界面等组成。在此基础上，为了丰富软起动的操控功能还需要附加外接信号输入和输出电路、保护环节、通信环节等[10-13]。其硬件系统基本组成如图1所示。下面对各个部分电路做具体的说明。

图1 软起动的系统组成

2 系统主电路设计

2.1 晶阐管胡型号选取

选取晶闸管最主要的就是保证其工作的安全性，首先要有足够耐压和耐流能力，其次再考虑价格、大小等其他各方面。晶闸管耐压选取如式（1）所示。本文以西门子大型特种电机（山西）有限公司生产的Y系列6 kV高压异步电机产品Y500 3-2为例，其额定功率为1 400 kW，额定电流为160 A。

晶闸管的耐压值如式（1）所示。

式中：USCR为晶闸管耐压；UN为额定电压。

本文高压软起动应用在6 kV系统中，所以晶闸管结构的耐压水平至少达到18～23 kV。由于单支晶闸管耐压水平达不到要求，因此必须采用每组晶闸管串联的形式来分担电压，考虑到性价比、可靠性因素，同时为了避免电路过于复杂，应当尽量减少晶闸管的数量，所以本文采取的方案为：每相用8只额定电压为6 000 V的晶闸管两两反并联后再进行串联，具体形式如图2所示。

晶闸管的耐流选取如式（2）所示。

交流电路中反并联晶闸管波形系数kf取值为1.57。仍以西门子大型特种电机(山西)有限公司生产的Y系列6 kV高压异步电机产品Y500 3-2为例，查阅资料可知其额定电流为160 A，本文考虑软起动后额定电流三倍的裕量为480 A，根据式（2）得到最大电流值为917 A左右，因此最后选择的晶闸管电流参数为1 000 A。

综上，我们可以采用型号KPl000-60(额定通态电流1 000 A重复峰值电压6 000 V)的晶闸管[6]。此外还必须对其设计均压电路以及采取过电压、过电流等保护措施。

2.2 晶阐管串联的电路结构

由于现代电力电子技术发展的限制以及考虑到性价比的因素，大部分基于晶闸管生产的高压软起动基本都采用晶闸管串联的方式来提高耐压等级。晶闸管串联电路是本文6 kV高压异步电机软起动系统的主体部分。

2.3 晶阐管串联的均压问题

高压软起动三相是由多支晶闸管反并联后串联组成的，因此电机的电压和电流由这些晶闸管共同分担，由于各个晶闸管的伏安特性、开通时间等特性的不同，会直接影响它们串并联时电压和电流的均衡。如果均压效果不好，容易造成同一相上的串联晶闸管一连串击穿的现象。因此在高压领域解决好晶闸管的串联均压问题至关重要。

2.3.1 晶阐管静态均压电路设计

串联晶闸管的静态均压电路是要使晶闸管正向阻断或反向阻断状态时达到电压均衡的效果。静态均压首先应选用参数和特性比较一致的晶闸管，此外可以采用每支串联晶闸管并联一个Ri电阻均压。Ri的大小比每个晶闸管阻断时正、反向电阻小很多，这样每个晶闸管分得的电压取决于均压电阻的大小。

2.3.2 晶阐管动态均压电路设计

晶闸管存在着动态特性和参数的差异，在其串联开通及关断时会出现动态的电压分配不均的情况。除了选用动态参数和特性一致的晶闸管，还应采用Rj，Cj并联在每支晶闸管作动态均压。

2.3.3 晶阐管模块间的均压设计

本文所设计高压软起动主电路如图2所示，其中K1为用于高压异步电机过载保护的热继电器，FU为短路或过电流故障时提供保护的熔断器。

3 系统控制电路设计

图2 高压软起动主电路图

系统控制电路的主要功能是数字信号处理器（DSP）根据信号采集电路的电压、电流信息来产生晶闸管的触发脉冲，改变晶闸管导通角大小，从而达到控制高压异步电机起动电压的目的，同时能根据各种电流、电压、温度等信息对晶闸管和电机进行各种保护，还能通过人机界面对软起动设置各种起动参数，实时显示系统运行状态，从而保证整个高压软起动系统的安全运行。

3.1 触发系统的设计

电-光触发系统主要由光纤、晶闸管门极触发电路及其取能电路构成。光纤接收来自低压控制中心（DSP）的信号然后传递给光控晶闸管门极，使其导通，光纤的作用是隔离高低压，为高压侧晶闸管和低压侧控制系统之间提供可靠的通道；晶闸管门极触发电路首先接收到光纤信号后，光控晶闸管导通都触发主电路中晶闸管的门极，通过不同时间触发来控制主电路中晶闸管导通角的大小；取能电路的作用是给晶闸管门极驱动电路供电使其顺利导通。

利用与晶闸管并联的RC吸收电路的充放电来储存释放电能。光纤控制光控晶闸管的光门使其开通，当光控晶闸管开通或截止时，电容C1会充电或者放电。放电电流经过电阻R4形成主晶闸管门极获得强触发脉冲，主晶闸管导通。

3.2 信号采集电路

信号采集电路主要作用是对各种信号采集、预处理，然后反馈回DSP芯片。本文主要采集电压和电流信号。这两个信号的采集首先经过互感器，再经过处理后反馈给控制电路，根据反馈的信息判断高压软起动及电机的运行状态，根据反馈信号来发出触发脉冲、判断故障并发出保护命令等。

1）电压、电流互感器的选择。本文所设计的高压软起动对线路上采集的电压和电流精度有一定要求，一次侧电压、电流经互感器后对取得的电量参数值会直接影二次侧电压、电流采样电路的精度，因此，电压、电流互感器的选择也很重要。本文是基于6 kV电压所设计的高压软起动，涉及的高压异步电机额定电流为160 A，因此，本文选用的电压互感器为博尔电力生产的JDZ9-6型号，精密电流互感器为泽明电子生产的ZMPT107型号。该互感器具有体积小、重量轻、便于安装等特点，适用于6 kV电力设备的电压、电流测量和信号采集等。

2）电压、电流采样电路。电压检测环节通常用来采样软起动输入电压并提供给保护模块，完成过压、欠压、缺相等保护，采样软起动输出电压并提供给控制环节，完成输出电压的闭环调节等作用。电压信号的采样取自软起动输入端，然后经电压传感器进行电平变换和隔离，再经整流、滤波、放大、A/D转换后送入DSP进行控制和保护。

电流检测环节用关于采样软起动输出电流，参与实现电流闭环环节，同时，提供给保护模块，完成过流、缺相、过载、堵转等保护。电流检测环节通常包括电流传感器和信号变换电路，由于软起动对于电流采样的速度和精度要求并不高，故采用主回路中接入电流互感器来采样电机的工作电流。

3）同步电压过零检测电路。本文需要在特定时刻准确的对晶闸管导通和关断，因此必须设置同步电压过零检测电路，以此来确定晶闸管的触发顺序及触发角的大小。一次测电压经电压互感器后经过零比较器将正弦波变为方波，以方波跳变点对应自然换流点。

3.3 电源电路的设计

由于本文所设计的控制系统内部需要多个不同电压等级的电源，因此先将6 kV电网电压变为220 V交流电压，再接入控制系统供电，选用的变压器为上海邦朗机电设备制造有限公司生产的SCB10系列变压器，下面具体说明控制系统内部几个电源电路的设计。

1）电压、电流采样电路的电源电路。电压和电流采集电路需要的是+5 V和-5 V两种直流电压，其具体电路如图3所示。先将220 V交流变为9 V交流电，整流桥后接电容滤波再送入输出电压分别为+5 V和-5 V的稳压器7805和7905，。

图3 电压、电流采样的电源电路

2）主控芯片DSP2812的电源电路。DSP2812采取双电源供电方式，分别是1.9 V的内核电源和3.3 V的I/O电源，3.3 V的I/O电源又分为数字电源和模拟电源，即数字3.3V和模拟3.3 V；此外，在上电顺序上内核应先于I/O口上电。本设计使用TI公司生产的TPS75833和TPS75801，TPS75833芯片可以产生3.3 V电压，使用输出电压可调的TPS75801稳压器产生1.9 V的电压，由于两款芯片都具有使能输入端，配合外部逻辑电路可控制上电顺序。TPS75833使用较为简单，无需外接反馈电阻，可直接产生稳定的3.3 V输出电压。

3.4 电机的保护电路

高压异步电机的保护主要包括以下几项：

1）电压保护。经电压互感器后，经过整流桥滤波后再送入DSP的A/D引脚，DSP处理后，跟预先在软件里设置的过压、欠压数值对比，做出相应的保护动作。

2）电流保护。流过高压异步电机的电流过大或过小都会对电机产生不利影响，因此，必须设置电流保护。与电机的电压保护类似，经电流互感器后，送入整流桥再连到DPS的A/D引脚，与预先在系统软件里设置的过流、过压数值比较后，做出相应的保护动作，其保护电路原理与电压保护电路相同。

3）过载保护。高压异步电机通电后，会产生热量，造成温度升高，当电机过载时，产生热量也不断增加，时间一长，若不采取相应保护措施会造成电机内部线圈过热，损坏电机，甚至存在安全隐患，因此需要采取过载保护。同晶闸管的过热保护相同，本文采用电机线路上加装热继电器的过载保护方式，如图2高压软起动主电路所示，K1为用于高压异步电机过载保护的热继电器。电机过载时，继电器动作，同样触点连在控制电路中，当检测到超过设定值时，检测信号送入DSP，进而控制切断主电路，停止工作。这种方式虽不如电子热保护器过载保护准确灵活，却简单实用。

4 结语

本文立足于6 kV高压异步电机，对高压软起动存在的一些问题，做出分析并得到一定解决，对软起动装置的软硬件进行设计，针对6 kV高压异步电机，对其软起动硬件电路进行整体设计，包括主电路和控制电路两部分。研究了主电路中晶闸管串联的均压电路及控制电路中的触发电路、信号采集电路、电源电路等。本文所设计的高压软起动装置，具有多种起动方式，适用范围广并且具有强大的保护功能。