基于PLC实现的煤矿排水电控系统设计

1、摘 要高压软启动和PLC以广泛用于煤矿排水的电控系统中。该方法就是在恒定交流鼠笼异步电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器。采用恒流启动方式把异步电动机拖入正常运行状态。本文提出了PLC作为主机、高压软启动（电抗器备用）启动方案应用于煤矿排水电控系统 。与常规继电器控制系统不同之处采用PLC。PLC克服继电器体积庞大、可靠性不高、改变控制程序麻烦、维护量大、尤其定时不精确等缺点。与常规的直接启动或用电抗器启动不同之处采用高压软启动，克服了直接启动（电抗器启动）给电机直接加入额定电压，启动速度快，尤其对电网、电机、生产机械的冲击危害很大等缺点。本文采用了德国西门子S7-200PLC作为控制器，采

2、用了河南株洲铁道机车研究所生产的QJR-400高压交流电机软启动装置实现调速，不仅改善了启动性能，而且满足现场要求。 关键词：晶闸管； 鼠笼异步电机； 排水； 高压软启动； 西门子PLC ABSTRACTHigh-pressure soft-start and PLC are widely used in coal mine drainage to the electronic control system. The method is in a constant exchange between the squirrel cage induction motor access SCR as

3、AC voltage controller. Way to start a constant current induction motor dragged into the normal operation of state. In this paper, as the host PLC, the high-voltage soft-start (Reactor standby) launched the programme for mine drainage electronic control system. Relay control systems and conventional

4、difference between the use of PLC. PLC overcome the relay size, reliability is not high, and change control procedures trouble maintaining large, in particular, timing and other shortcomings imprecise. The launch of direct and conventional power reactor or start using high-pressure difference betwee

5、n the soft start to overcome the boot (start Reactor) added directly to the motor rated voltage, fast startup, particularly on the power grid, the electrical, mechanical production of the harmful impact , And other shortcomings.In this paper, the German Siemens S7-200PLC as a controller, using the H

6、enan Institute of Zhuzhou railway locomotive production QJR-400 high-voltage AC motor soft start device to achieve speed, not only to improve the performance started, but also meet the requirements of the scene.Keywords： SCR; cage induction motor; drainage; soft-start high-pressure; Siemens PLC目 录1

7、绪论11.1 序言11.2 矿井排水启动设备的现状11.2.1 直接启动11.2.2 降压启动21.3 晶闸管介绍21.3.1 晶闸管工作原理31.3.2 晶闸管的应用41.3.3 晶闸管软起动装置的技术特点52 排水设备62.1 矿井简介62.2 选择水泵62.3 管路选择92.4 验算排水时间及排水管中流速122.5 确定电动机功率133 电控设备143.1 研制方案的提出143.2方案比较163.3 方案确定173.3.1 软启动器的技术特点183.3.2 软启动器的启动方式183.3.3 软启动器的技术优势204 软起动装置的主电路设计214.1 软起动装置的原理214.2 晶闸管选型

8、计算264.2.1 晶闸管电压等级的选择264.2.2 晶闸管电流等级的选择274.3 晶闸管触发方式的选择284.3.1 门极触发脉冲的要求284.3.2 触发方式的选择294.4 三相同步信号采集与脉冲触发驱动电路314.4.1 三相同步信号采集314.4.2 脉冲触发驱动电路324.5 电机软起动控制系统中功率因数角的研究344.5.1 软起动控制器的主电路344.5.2 三相异步电动机功率因数角的变化规律354.5.3 三相异步电动机功率因数角对晶闸管输出电压的影响384.5.4 电机功率因数角的闭环控制415 可编程控制器445.1 PLC的产生和定义445.1.1 PLC的产生44

9、5.1.2 PLC的定义455.2 PLC的特点455.3 PLC的应用和发展455.3.1 PLC的发展状况455.3.2 PLC的发展趋势465.3.3 PLC的应用领域475.3.4 PLC的分类475.3.5 PLC的系统组成485.3.6 PLC的工作原理495.4 系统设计535.4.1 系统组成535.4.2 PLC原理图556 运行总结566.1概述566.2 保护性能试验566.3 起动特性试验606.4 试验结论60结束语62致 谢63参考文献641 绪论1.1 序言煤矿在建设和生产中，不断有地下水涌入矿井，为保证入井人员正常工作和安全生产。必须考虑排水问题，在建设与生产中

10、要不间断的排水工作。在我国的煤炭企业中，煤矿的机电设备中，排水设备用量很多，消耗的电量很大。正确选择与使用水泵，合理配制主排水系统，提高系统运行的经济性，对于煤矿企业节能提效有着十分重要的意义 。1.2 矿井排水启动设备的现状1.2.1 直接启动目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机，包括低压电动机及3kV/6kV中压电动机及10kV高压电动机。通常采用的起动方式有两种：一是在额定电压下的直接起动，另一种是降压起动方式。直接起动是给电机直接加上额定电压，起动速度快，但危害很大，主要表现在：1) 对电网的冲击：直接起动时的起动电流可达额定电流的47倍，造成电网电压跌落，可能使欠压保护动作，造

11、成设备的有害跳闸，使电机起动失败并影响其它用电设备的正常运行。2) 对电机的冲击：过大的起动电流会使电机的绕组迅速发热，加速其绝缘老化，从而影响电机的电气寿命；直接起动过大的冲击转距往往使电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损或击穿、转轴扭曲等。3) 对生产机械的冲击：突然的冲击转距往往还使与电动机相连的联轴节或传动齿轮损伤，带动的皮带撕裂；过大的冲击力会造成带动的其它设备的非正常磨耗和老化，影响其精确度，缩短其寿命；而直起过程中压力的突变对泵系统的管道、阀门造成损伤。1.2.2 降压启动降压启动就是软启动。软起动可分为有级和无级两类，有级的如星/角变换软起动、自耦变压器软起动、电抗器

12、软起动等，都避免不了二次冲击。无级的有液阻软起动、磁控软起动和晶闸管软起动。以技术性能比较，晶闸管方式的智能型软起动已逐渐占据主导地位，因而国内低压软起动（380V、660V、1140V等）市场主要是采用晶闸管方式的软起动器。在中高压应用中，国外产品基本都是晶闸管方式的软起动器。而国内由于技术方面的原因，有多种软起动方式并存，但逐渐将向智能型的、应用高压晶闸管方式的软起动器转化。1.3 晶闸管介绍1957 年美国通用电气公司(GE)发明了普通反向阻断型可控硅整流管(Sillicon Controlled Rectifier SCR) ，以后称为晶闸管(Thyristor)，它是一种大功率半导体

13、器件。它标志着电力电子技术的诞生。经过工艺完善和应用开发，到了20 世纪70年代，晶闸管已形成了从低压小电流到高压大电流的系列产品。以晶闸管为主要器件的电力电子技术很快在电化学工业、铁道电气机车、钢铁工业(感应加热)、电力工业(直流输电、无功补偿)中获得了广泛的应用。 在性能上，晶闸管不仅具有单相导电性，而且还具有比硅整流元件俗称( “死硅”)更为可贵的可控性。它具有导通和关断两种状态。晶闸管能以毫安级电流控制大功率的机电设备，广泛应用于可控整流、无触点开关、交流调压、逆变和变频等场合。普通的晶闸管适用于交流频率为400 Hz 以下的控制设备。如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的

14、平均电流相应降低。此时，标称电流应降级使用。晶闸管的优点很多，例如：以小功率控制大功率功率，放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花，无噪音；频率高，成本低等等。晶闸管的弱点：静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。晶闸管(SCR)自问世以来到目前为止其功率容量提高了近3000倍，现在许多国家已能生产8KV/4KA 的晶闸管。近十几年来，随着自关断器件的飞速发展，晶闸管的应用领域有所缩小，但是，由于晶闸管具有高电压、大电流特性，因此它在HVDC、 静止无功补偿(SVC)、 大功率直流电源及超大功率和高压变频调速应用方面仍占有十分重要的地位。预计在今后若干年

15、内，晶闸管仍将在高电压、大电流应用场合得到继续发展。1.3.1 晶闸管工作原理 普通晶闸管从20世纪60年代开始研制并生产，到现在已成为电力电子器件中品种最多的一种，由于它具有电流容量大，电压耐量高以及开通的可控性，又有独特的伏安特性，加上效率高、小型轻量的特点，因此已被广泛应用于相控整流、逆变、交流调压直流、变换等领域，成为特大功率、低频装置中的主要器件。晶闸管的导通条件可定性地归纳为阳极正偏和门极正偏。晶闸管导通后，即使是撤除门极驱动信号， 也不能使晶闸管关断，只有设法使阳极电流减小到维持电流 (约十几毫安)以下，导致内部已建立的正反馈无法维持，晶闸管才能恢复阻断状态。很明显，如果给晶闸管

16、阳极加反向电压，无论有无门极电压，晶闸管都不能导通。晶闸管像二极管一样具有单向导电性，但它又与二极管不同。当门极没有加上正向电压时，尽管阳极已加正向电压，晶闸管仍处于正向阻断状态，在门极电压的触发下，晶闸管立即导通。这种门极电压对晶闸管正向导通所起的控制作用称为闸流特性，也称为晶闸管的可控单向导电性。门极电压只能触发晶闸管开通，不能控制它的关断，从这个意义上讲，晶闸管是半控型电力器件。1.3.2 晶闸管的应用 晶闸管是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件，它和只有一个PN 结的硅整流二极管在结构上迥然不同。晶闸管的四层结构和控制极的引用，为其发挥“以小控大”的优异控制特性奠定了基础

17、。在应用晶闸管时，只要在控制极加上很小的电流或电压，就能控制很大的阳极电流或电压，实现以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍。普通晶闸管最基本的用途就是可控整流，除了整流，它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路；实现将直流电变成交流电的逆变；将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。晶闸管和其它半导体器件一样，具有体积小；效率高，反应极快，在微秒级内开通、关断；控制容易；可靠性高；稳定性好；损耗低等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，是向强电冲击的先锋，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件，并获得了巨大的经济效益。三相交流异步

18、电动机由于其结构简单，价格低廉，可靠耐用，而在各行各业特别是工业领域得到了广泛的应用。但它直接起动时产生的电流冲击和转矩冲击会对电网、电动机本身及其负载机械设备带来诸多不利的影响，对于容量较大的电动机，这些危害也就尤为严重。近年来，随着各种新兴产业的涌现与发展，对异步电动机的起、停与运行提出了更高的要求。随着电力电子技术和微机控制技术的发展，晶闸管在电动机的起动中发挥了越来越重要的作用。1.3.3 晶闸管软起动装置的技术特点晶闸管降压软起动是近年来出现的较完善的技术方案，是集现代数字信号处理技术、计算机控制技术和电力电子技术于一体的高科技产品，可以根据不同应用情况设置初始转矩、起动时间、停机时

19、间、限流和各种保护值，平滑的起动特性和免维护等使其具有传统软起动方法无法比拟的优越性。中高压QJR系列晶闸管软起动装置具有以下的技术特点：1) 以成熟的大功率高压晶闸管为主电路部件，结构模块化设计，具有高可靠性和维修性；2) 与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，起动重复性好，采用闭环控制，系统响应速度快；3) 安装使用简单，晶闸管是无触点的电子器件，寿命长，不同于其他类型的产品需经常维护液体和部件等，把机械寿命变为电子元件使用寿命，连续运行数年也无需停机维护，更无爆炸引起高压接地等危险；4) 采用光纤传输技术隔离高、低压系统，技术先进，绝缘可靠；5) 采用一系列防干扰措施，通过EMC试验；

20、6) 完善的装置自诊断功能；7) 可靠的晶闸管保护功能，每组晶闸管均有独立的保护电路及状态检测电路；8) 起动方式灵活：主要有斜坡起动方式、恒流起动方式、转距突跳起动方式（以及与前两种方式的组合）；9) 停车方式可选：供选的停车方式有两种：自由停车，软停车；10) 保护方式完备：十余种软起动装置及电机保护措施：起动超时故障、起动过流故障、运行过流故障、晶闸管短路故障、逆序故障、缺相故障、三相电流不平衡、失压故障、断路器故障、接触器故障,晶闸管温度过高等；2 排水设备2.1 矿井简介某矿年产为160万吨立井，正常涌水量Q=230，其日期为300天，最大涌水量=380，共62天，井深260m，矿井

21、水为中性(PH=7)。2.2 选择水泵（1）所需水泵最小排水能力根据煤矿安全规程的规定，“工作水泵的能力，应能在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量”。因此，所需水泵最小排水能力为：=1.2Q() （2-1） 式中 Q为矿井正常涌水量()。正常涌水时： =1.2Q=1.2230=276() （2-2）最大涌水时：=1.2Q/=1.2380=456() （2-3）（2） 估算水泵扬程HB= (m) （2-4）式中为从吸水井水面到排水管路在地面出口之间的垂直距离高度，也可以用水泵房地面至地表面的垂直距离，在加5.05.5m的吸水高度；为管路效率，考虑管路沿程损失、局部损失以及管路因用久内有淤积，

22、使内径减小增加的损失。 立井： =0.860.92斜井：当倾角a= ; =0.760.90 a= ; =0.720.88 a= ; =0.660.86所以水泵扬程HB = （2-5） = （2-6） =288（m）式中 =260（m）排水高度； 为吸水高度取5m； 为按最小排水量取0.92。在泵类产品样本中，选择能满足及HB 效率较高水泵为200D-43型，该水泵的额定流量=288()；单级额定扬程=43（m）； 最大效率= 80%；允许吸水高度=5.7（m）。该矿井为中性水(PH=7)可不采取防酸措施。（3）水泵形式及台数水泵级数：i=6.7 取7级 （2-7）式中为水泵在额定流量时，单级水

23、轮的扬程。水泵台数：根据煤矿安全规程规定，“必须有工作、备用和检修的水泵”。“备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%，并且工作和备用水泵的总能力，应能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%”。即正常涌水时工作水泵台数=0.96 取一台 （2-8）式中 为所选水泵额定流量（）;备用水泵台数 =70% =70% 1=0.7 取一台 （2-9）检修水泵台数=25% =25%1=0.25 取一台 （2-10）以上计算如有尾数，均取偏上整数；水泵总台数Z=+=3（台） （2-11）校验在最大涌水量时工作水泵台数= （2-12） =1.582（台）式中 为

24、矿井最大涌水量（）。当( + ), 说明工作和备用水泵的总能力，能在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量，最后决定水泵总台数为3台。2.3 管路选择煤矿安全规程规定，井下排水“工作水管的能量应能配合工作水泵在20小时内排出矿井24小时的正常涌水量。工作和备用水管的总能力，应能配合工作和备用水泵在20小时内排出矿井24小时的最大涌水量。当排送量一定时，管径取大些，扬程损失会小，长期运行的电能相应减少。但其一次基建投资费用要高些。反之，如果管径取得偏小，则相反。因此，必须在两者之间求出管道最有利的经济直径。运用经济速度求排水管的直径，即：d/p = （m） （2-13）式中为水泵的额定流量（）；

25、 为最有利的经济流速，一般VP =1.52.2（m/s），因此排水管直径 d/p = = =0.225（m） （2-14）式中=1.52.2(m/s），现在取 = 2(m/s）。查表选排水管公称内径dp=225（mm），壁厚7（mm），内径231（mm），外径245mm的无缝钢管。对于吸水管径dx,为了减少吸水管阻力损失及不产生气蚀现象，吸水管径一般可比排水管径大一些。取：dx=dp+0.025(m) （2-15）所以dx=dp+0.025=0.225+0.025=0.25(m)查表2-1选吸水管的公称内径dp=250（mm），外径273（mm）；壁厚7（mm米），内径259mm的无缝钢管。表

26、2-1 国产无缝钢管规格Table 2-1 Domestic specifications Seamless Steel Tube公称内径外径壁厚内经每米长的重量公称内径外径壁厚内经每米长的重量毫米毫米毫米毫米公斤/米毫米毫米毫米毫米公斤/米80894818.381022557.9557910.36250273725945.92100108410010.26825752.2859812.7922558.669615.091025364.86125133412512.731125171.07512315.78300325830962.54612118.99930770.141501594.515

27、017.151030577.68514918.991130385.18614722.641230192.63714526.243503371035790.51200219620731.5212353108.02520536.614349125.33820341.6325327217.02920146.6135307295.2图2-1 管路布置 Fig.2-1 pipe layout2.4 验算排水时间及排水管中流速 正常涌水期的排水时间T=19.220（h） （2-16）最大涌水期的排水时间=15.820(h) （2-17）通过验算可知正常与最大涌水期的排水时间，都小于20小时，说明所选水泵型

28、号及台数均合适。排水管的实际流速=2.01(） （2-18）验算排水管实际流速，没有超出经济流速范围（1.52.2），因此所选管道合适。2.5 确定电动机功率由此泵所需功率为N=1.1=1.1=316.8(kw) （2-19）式中 r为矿水重度10000（）。因此200D437型泵所配350 kw电动机3 电控设备3.1 研制方案的提出经过大量调研、查阅资料、分析，并在充分了解煤矿系统对设备的工作性能、安全可靠性等的基础上，我们提出以下三种解决方案：方案1：一拖一软起动方案图3-1 一拖一软起动方案系统原理图Fig. 3-1 a soft start was delayed programme

29、 system schematics系统原理图如图3-1所示，使用一台软起动装置起动一台水泵电机，系统可以达到很高的可靠性，软起动装置和电机可以分别形成三套相对独立的系统，而不互相影响。方案2：采用“一拖三”软起动方案图3-2 一拖三软起动方案系统原理图Fig. 3-2 Soft start was delayed three programmes system schematics系统原理图如图3-2所示，在利用一台软起动装置起动三台水泵电机的目的。本系统可靠性高，满足现场起动要求。方案3：采用“一拖三+电抗器”软起动方案系统采用一台软起动装置起动三台水泵电机简化系统结构，另用一台起动电抗器

30、作备用改善起动性能，完善保护性能。同时为了满足煤矿对安全的苛刻要求提高系统的可靠性，这样在软起动装置检修时仍可用一台起动电抗器起动三台水泵电机。图3-3 采用“一拖三+电抗器”软起动方案系统原理图Fig. 3-3 A delayed 3 + reactor Soft Start programme system schematics3.2方案比较表3-1 上述三种方案各项指标比较Table 3-1 These indicators compare the three options方案1方案2方案3性能指标软起动装置和电机可以分别形成三套水泵驱动系统，完成每一台水泵电机的起停工作可使用软起动装

31、置分别完成三台电机系统的起动，性能达到现场使用要求可使用软起动装置（或电抗器）分别完成三台电机系统的起动，性能达到现场使用要求可靠性三套软起动系统互相独立，互不干扰，可将任何一套起动系统作为备用或进行检修，可靠性高。虽采用可靠性很高的高压软起动装置，但无法提高整个系统的稳定性。可做到每套水泵电机起动相对独立、互不干扰，保留一台电抗器作为软起动装置后备，装置处于维护或检修时仍能对电机进行起动系统结构较简单，相对独立系统复杂，使用设备较多结构优化，系统简单高效经济效益软起动装置成本较高，系统需三套软起动装置造成设备投入费用过高，经济效益较差整套系统的初始投入较少，可能造成今后较高且无法估计的维护成

32、本整套系统投入较少，利用新技术使系统基本达到免维护的要求3.3 方案确定通过表3-1对系统性能指标、可靠性、系统结构和经济效益等四个方便的比较，最终确定“方案3”为系统最优方案，进行实施。3.3.1 软启动器的技术特点软启动器是电力电子技术与自动控制技术相结合的电气设备,它主要由串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其控制电路构成。运用移相控制原理,在启动过程中,控制晶闸管的导通角逐渐增大,使电动机的端电压从0以设定的函数关系逐渐上升,启动转矩及转速也逐渐增高,实现无冲击启动,启动完毕自动转入全电压运行。3.3.2软启动器的启动方式(1)斜坡升压软启动。这种启动方式最简单,仅控制晶闸管

33、导通角,使启动电流与时间成一定的比例关系增大。由于不限流,在启动过程中有时会产生过大电流而损坏晶闸管,对电网也有不利影响,故实际很少应用。(2)斜坡恒流软启动。其特性曲线如图3-4所示。启动初始阶段,启动电流按设定的上升速率(斜率)逐渐增大,到达设定值后,保持恒流状态直至启动完毕。启动电流的上升率可根据负载需要进行调整,电流上升速率高,则启动转矩大,启动时间短。一般启动转矩在额定转矩的5% 90%之间调整,启动时间可在230 s之间调整。该启动方式适用于风机、泵类负载,是实际应用最多的软启动方式(井下6 kV高压排水泵采用该启动方式) 。(3)脉冲恒流启动。在启动初始阶段,晶闸管在很短时间内以

34、较大电流导通一定时间后下降,再按原设定速率上升,进入恒流启动,其特性曲线如图3-5所示。这种启动方式适用于需要冲击转矩助推方能正常启动的重载场合。(4)阶跃恒流启动。这是一种快速启动方式。一开机,即以极短时间使启动电流迅速上升到设定值直至启动完毕。通过改变电流设定值,可满足不同负载对启动速度的要求。 图3-4 斜坡恒流软启动Fig.3-4 Slopes constant current soft start 图3-5 脉冲恒流启动Fig.3-5 Pulse constant start3.3.3软启动器的技术优势软启动器与自耦减压启动器等传统的减压启动设备相比,具有明显的技术优势。(1)无冲击

35、电流。软启动使电动机的启动电流以一定斜率逐渐上升至设定值,对电网无冲击电流,提高了供电可靠性。由于引入电流闭环控制,实现恒流平稳启动,无二次冲击电流,减小对负载机械的冲击转矩,延长机组使用寿命。(2)启动参数可调。软启动的启动电流、启动转矩及启动时间均可根据负载情况及电网继电保护特性适当选择,无级调节至最佳。(3)有软停机功能。软停机平滑减速,逐渐停机,它可克服瞬间断电停电的弊端,减轻对重载机械的冲击,避免高程供水系统的“水锤”效应,减少设备的损坏。(4)轻载节能。软启动实质上是一个多功能自动调压器,电动机轻载时,能适当降低其端电压,空载激磁电流和铁耗随之减小,功率因数提高,达到轻载节能的目的

36、。4 软起动装置的主电路设计4.1 软起动装置的原理在进行软起动装置的主电路设计时,首先考虑在不失软起动装置的性能和可靠性的前提下,应选择使用国产功率电子器件,达到降低软起动装置的制造成本,提高软起动装置产品的国产化率的目的；另外为了将来安装和维修方便，要合理计算和选择功率元件的散热器形状和尺寸。通过计算比较，最后选用现有的铝型材，作为晶闸管的散热器，外形规整，便于安装，同时节省资金。异步电动机起动性能主要有两个指标，起动电流倍数和起动转矩倍数。控制交流异步电动机的转矩与加在定子端电压的平方成正比，同时电动机起动电流与定子端电压成正比。因此可以通过控制加在电动机定子上的电压对电动机的起动转矩和

37、起动电流进行控制，以降低电动机起动时所产生的过高起动电流和起动力矩。电压的控制是通过控制晶闸管的导通角实现的。本软起动装置是电力电子技术与自动控制技术相结合的电气装置，在提供大电流时采用的是三相交流调压中的相位交流调压方式。主电路由6只单向晶闸管两两反向并联组成，将其串接于电源和电动机定子之间，形成三相三线交流调压电路，如图4-1所示。利用全数字无矢量控制技术，完成电动机端电压与电流的控制。运用移相控制原理，工作时，软起动装置接收到控制信号后,根据用户已设定的参数,通过调节晶闸管的触发角， 从而控制导通角增大，晶闸管输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，使电动机按设定模式平滑起动，直到晶闸管全导通

38、，电动机工作在额定电压机械特性上，实现平滑无冲击起动，降低起动电流，避免起动过流跳闸，从而控制电动机的运行过程，实现电动机的软起动及运行保护等。图4-1 晶闸管调压主电路图Fig.4-1 Brilliant floodgate in charge of transferring and keeping the main circuit diagram 起动结束后，由控制装置发出信号，使旁路真空接触器闭合，反并联晶闸管暂停工作，由电源直接供电使电动机正常运行，以降低晶闸管的热损耗，延长软起动装置的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软起动装置在电动机起动结束后可以对电动机的运行参数

39、继续监视，对各类故障进行全程保护。QJR-400/1140(660)矿用隔爆兼本质安全型交流软起动装置的整体结构和功能用图8 所示的框图来表示。从图4-2中可以看出，一套功能完备的交流电动机软起动控制系统应当具备以下几个组成部分：1) 核心控制系统：软起动控制装置；2) 被控制功率主回路；3) 控制系统的输入输出部分分别包括电动机控制参数的设定和电动机运行状态的动态显示以及电流和电机转速反馈信号；4) 电机运行中过压保护欠压保护过载保护短路保护等的控制部分；5) 电源部分包括本安电源控制回路和控制装置的电源。除此之外作为隔爆型的交流电动机软起动装置还要考虑到软起动装置的防爆隔爆设计问题。电 源

40、控制电路 电源主电路晶闸管单元阻容保护旁路接触器具软起动装置外围控制电路LCD显示显示参数设定电流反馈检测电路速度反馈电机图4-2 QJR-400/1140 (660)工作流程图Fig.4-2 QJR-400/1140 (660)flow diagram of jobQJR型交流电动机软起动装置的原理接线图如图4-3 所示。1140V/660V三相电源从配电箱进入，经隔离换相开关，真空接触器，晶闸管组件输出到负载。亦可选择远控/近控和直起/软起。远控时，按下远控启动按钮SB4，控制器输出的本安12V 电压经远控停止按钮SB5常闭触点、SB4 常开触点加到继电器K1上。拨至近控，按下门盖近控启动

41、按钮SB1，本安12V 电压同样加到继电器K1上。继电器K1吸合，同时其常开触头闭合，使变压器二次侧24V 电压回路接通，继电器K3 吸合(注端子22# 23#为控制器内部常闭点)。常开点K3-1 、K3-2、K3-3 闭合：1) K3-3 闭合在本安回路给启动按钮提供自保持保持继电器K1在吸合状态；2) K3-1 闭合在变压器二次侧220V 电压回路中继电器K4 吸合；3) K3-2 闭合。（1）若拨动开关在直起，继电器K2得电吸合，常开点K4、K2闭合，220V电压加至真空接触器线圈KM上，真空接触器吸合，完成合闸动作。（2）拨动开关拨至软起，24V电压经20# 、21#端子常开点加至继电

42、器K2上。20#、21#常开点的闭合由软起动控制时间来控制。软起动就是在KM 吸合前由控制器控制晶闸管组件，负载侧电压由小、平稳上升至660V或1140V，电动机缓慢启动，软起动时间到时，继电器K2吸合，KM吸合，将晶闸管组件短接。控制器控制晶闸管组件停止工作。启动前，控制器首先对负载进行漏电检测。控制器24#、25#端子为660V、 1140V漏电检测输入端，经继电器K4两个常闭点、KM 辅助开关两个常闭点，接至晶闸管出线侧，负载主回路对地电阻1140V时小于42K左右，660V时小于22K，控制器22# 、23#端子常闭点断开，同时显示面板显示E-3 。同样，电压缺相显示E-5；电源过压显

43、示E-6；欠压显示E-7。参数调整,可用磁棒在显示面板上直接调整。将控制器10# 、11# 、12# 、13#调整参数端子接至门板启动、停止、复位按钮上的另一组常开点。两个回路(启动回路参数调整回路)由一个拨动开关控制，互不干扰。图4-3 软起动装置的原理接线图Fig.4-3 The principle soft start device wiring diagram4.2 晶闸管选型计算晶闸管元件参数的选择，主要是选择它的额定电压等级和额定电流等级。就是说，选择正、反向重复峰值电压 (即和两者的较小值)和通态平均电流。4.2.1 晶闸管电压等级的选择晶闸管承受的正、反向电压与所采用的电路形式

44、和电源电压有关。主要从可靠性、经济性和可能性来考虑。电压等级选的太高，不经济；选的太低，不可靠，元件容易击穿。精确设计晶闸管的耐压值比较困难，这是因为它不仅和回路的接法有关，同时还与电动机的容量、激磁电流等数值有关。晶闸管工作中可能会遭受一些意外的瞬时过电压或过电流，为了确保管子的安全运行，一般在考虑有过电压吸收回路的情况下，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值的2 3 倍。本课题所研究的软起动装置型号为QJR-400/1140，其额定电流为400A，额定电压为1140V， 故所选晶闸管的额定电压为： （4-1）式中， 为晶闸管在实际工作中可能承受的最大电压；为晶闸管元件承受的最大正

45、、反向峰值电压(V)；(2 3)为电压的安全系数。根据KP型晶闸管的电流电压级别并考虑到晶闸管的安全性，取本装置中的晶闸管的额定电压为4000V。4.2.2 晶闸管电流等级的选择由于双向晶闸管通常用在交流电路中，因此不用平均值而用有效值来表示其额定电流值。正弦半波电流平均值)、电流有效值和电流最大值三者的关系为： （4-2） （4-3）正弦半波情况下电流波形系数为： （4-4）考虑到晶闸管的过载能力比一般电机电器产品小得多，因此选择额定电流时考虑1.52倍的安全裕量是必要的。所以，晶闸管在流过任意波形电流并考虑了安全裕量情况下的额定电流的计算公式为： （4-5）在使用中还应注意，当晶闸管散热条

46、件不满足规定要求时，则元件的额定电流应立即降低使用，否则元件会由于结温超过允许值而损坏。晶闸管额定正向平均电流的选择，主要与下列因素有关：负载电流的大小、电路形式、控制角的大小以及工作频率（规定在400Hz 范围以内不考虑频率的影响)。因为本装置的额定电流为400A，考虑晶闸管调压软起动时，在线路电流达到两倍额定电流之前软起动装置不工作，所以取额定电流的两倍即800A为电流计算值，故： （4-6） （4-7） （4-8）根据K 型晶闸管的电流电压级别选取单只晶闸管的通态平均电流为800A。根据现代实用电子技术手册所选的晶闸管型号为KP80040D。4.3 晶闸管触发方式的选择4.3.1 门极触

47、发脉冲的要求触发电路的基本作用是向晶闸管提供门极驱动电流，并能根据控制要求使晶闸管在需要导通的时刻可靠导通。双向晶闸管门极的触发，必须要有触发电路与之正确可靠的配合才能实现。因此，触发电路与主电路一样，是晶闸管变流装置的重要组成部分。触发电路是通过输出触发信号来实现对晶闸管的控制的，触发信号的类型可以是直流信号、交流信号或时间短促的脉冲信号。只要功率足够大，它们都能使承受正向电压的晶闸管触发导通。因晶闸管导通后触发信号就失去作用，为了减小触发电路和门极功耗并使触发更准确可靠，大多采用脉冲作为触发信号。对双向晶闸管门极触发脉冲的要求是：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

48、管要求的数值，并流有一定的裕量；2) 触发脉冲的相位应在规定的范围内移动；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；4) 触发脉冲波形一定要满足要求，对感性负载，一般大于50Hz的18。4.3.2 触发方式的选择图4-4 三相全控整流Fig.4-4 Three phases accuse of rectification completely以三相全控整流图4-4为例，关于触发脉冲的相位，共阴极组的VT1、VT3和VT5之间应互差120；共阳极组的VT4、VT6和VT2之间亦互差120。接在同一相的两管，如VT1与VT4 ，VT3与V

49、T6 ，VT5与VT2之间互差180 。共阴极组的元件在各自的电源电压正半周时导通，而共阳极组的元件则在其电源电压负半周时导通。为了使全控桥正常工作，形成电流通路，保证全控桥合闸后共阴极组和共阳极组各有一晶闸管导通（换流期间有三只导通)，或者由于电流断续后能再次导通，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。为此，可以采取两种办法：一种是使每个触发脉冲的宽度大于60 （一般取80100) ，称宽脉冲触发；另一种是在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲，相当于用两个窄脉冲等效替代大于60的宽脉冲，称双窄脉冲触发，在一个周期中对每一只晶闸管需要连续触发两次，两次脉冲间隔为60。例如

50、当要求VT1导通时，除了给VT1 发触发脉冲外，还要同时给VT6 发一触发脉冲。欲触发VT2时，必须给VT1 同时发一触发脉冲等。因此，用双窄脉冲触发，在一个周期内对每个晶闸管需要连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为60 。双窄脉冲电路比较复杂，但它可减小触发装置的输出功率，减小脉冲变压器的铁心体积。用宽脉冲触发，虽然脉冲次数少一半，为了不使脉冲变压器饱和，其铁心体积要做得大些，绕组匝数多些，因而漏感增大，导致脉冲的前沿不够陡（这对多个晶闸管串并联时很不利)，增加去磁绕组可以改善这一情况，但又使装置复杂化，故通常多采用双窄脉冲触发。双窄脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产生的脉冲稳定

51、可靠。本装置晶闸管的触发脉冲采用的是双窄脉冲。双窄脉冲经光电隔离后，传送至脉冲列形成放大后，输出为高频脉冲列脉冲列，经过脉冲变压器隔离后送到晶闸管控制极。本装置使用的脉冲变压器采用了高强度绝缘材料，并经过环氧树脂浸漆，一、二次之间绝缘强度达15KV。同时，脉冲变压器铁芯采用了高磁密材料，输出脉冲无延时和震荡现象，输出脉冲波形稳定，抗干扰能力强。4.4 三相同步信号采集与脉冲触发驱动电路本装置中共用到三只双向晶闸，管其中每只双向晶闸管中的两个单向晶闸管触发次序相差180。晶闸管触发需满足两个条件：有触发脉冲、端电压为正。控制器经过分析计算，产生一个触发控制信号，经触发电路，产生足够强度的脉冲去驱

52、动晶闸管。由于晶闸管交流调压控制电路中的六只单向晶闸管触发脉冲依次相差60，所以，晶闸管能否按照预定的次序导通，这是调压能否实现的关键。同步信号的提取与触发形式的选择，是软起动装置能够可靠、稳定运行的技术关键。这两个问题解决不好，软起动装置就不能实现晶闸管触发器的准确控制，更不能实现交流电动机的软起动。4.4.1 三相同步信号采集由于本系统是通过晶闸管的相控调压来实现电动机的软起动，故必须对供电电源进行同步检测，并由此确定晶闸管的触发顺序和触发角的大小。在整个控制系统中，晶闸管触发器的同步信号的提取，首先通过同步变压器提取出三相动力电源中三相的相位，这样产生的三相触发同步信号稳定，准确的与电网保持一致，保证晶闸管触发的可靠进行。使用三相同步变压器获得三相同步信号，是一种传统的方法。经过实验和运行验证，这种方法有其弱点，即当起动或运行过程中出现断相故障时，经三相同步变压器取得的同步信号相位将发生变化。如果没有及时的封锁晶闸管的触发脉冲，将出现错误触发，使电动机绕组内出现直流，从而造成生产机械系统的损坏。在CPU的软件设计中应当就这一现象提出保护，但实践证明用，软件保护的方法也可以有效的避免错误触发现象的发生。图4-5 三相电压同步信号采集Fig.4-5 The synchronous sig