趙山

[摘? ? 要]可控硅也稱晶閘管，在自動(dòng)控制中可控硅比機(jī)械式繼電器更適用于負(fù)載需要頻繁接通、斷開操作的電路。在三相電動(dòng)機(jī)控制電路中，通常機(jī)械式繼電器作為主要控制器件。但在類如管道電伴加熱、電動(dòng)閥門這樣需要頻繁啟停的負(fù)載，機(jī)械式繼電器由于反復(fù)操作故障率明顯提高;同時(shí)電氣觸點(diǎn)操作中會(huì)產(chǎn)生電弧，多次操作后將引起觸頭燒毀或短路故障。三相可控硅電源接通、斷開時(shí)不產(chǎn)生電弧，適用于防爆場所;可控硅沒有機(jī)械式行程動(dòng)作，壽命長不易損壞;因此性能優(yōu)于機(jī)械式繼電器，在現(xiàn)今電動(dòng)機(jī)控制電路中得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)比2種控制方式闡述了可控硅控制的低壓三相380V交流異步電動(dòng)機(jī)電路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。為保證可控硅在電動(dòng)機(jī)控制回路可靠運(yùn)行，介紹了幾種在實(shí)際工程中保護(hù)的應(yīng)用。通過設(shè)置完善的保護(hù)電路，確?？煽毓柙陔妱?dòng)機(jī)控制中安全可靠運(yùn)行。

[關(guān)鍵詞]可控硅;電動(dòng)機(jī)控制;電路設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TM302 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）08–00–03

Application of SCR in Motor Control

Zhao Shan

[Abstract]SCR is also called thyristor. In automatic control， SCR is more suitable for circuits where the load needs to be switched on and off frequently than mechanical relays. In the three-phase motor control circuit， usually mechanical relays are used as the main control device. However， for loads that require frequent start and stop， such as pipeline electric heating and electric valves， the failure rate of mechanical relays is significantly increased due to repeated operations; at the same time， electrical contact operations will produce arcs， which will cause contacts to burn or burn after multiple operations. Short circuit fault. Three-phase thyristor power supply does not produce arcs when it is switched on and off， and it is suitable for explosion-proof places; thyristors have no mechanical stroke action and have a long life and are not easily damaged; therefore， their performance is better than mechanical relays， which are obtained in current motor control circuits widely used. This article compares the two control methods and expounds the characteristics of the circuit design of low-voltage three-phase 380V AC asynchronous motor controlled by thyristor. In order to ensure the reliable operation of the SCR in the motor control loop， several protection applications in actual engineering are introduced. A complete protection circuit is provided to ensure the safe and reliable operation of SCR components in motor control.

[Keywords]thyristor; motor control; circuit design

1 可控硅常規(guī)應(yīng)用

1.1 單向可控硅直流電路

圖1中采用單向可控硅控制負(fù)載接通斷開狀態(tài)，開關(guān)1將負(fù)載與直流電源連接，開關(guān)2為控制極提供正向觸發(fā)信號(hào)。要使可控硅導(dǎo)通，需在它的陽極與陰極之間外加正向電壓，同時(shí)在它的控制極與陰極之間輸入一個(gè)正向觸發(fā)電壓。電源與可控硅在這種連接方式下，可控硅陽極和控制極相對(duì)于陰極所加的都是正向電壓。

在電源與負(fù)載接通時(shí)控制極通過外加正向觸發(fā)信號(hào)使可控硅導(dǎo)通，撤銷信號(hào)卻不能使它關(guān)斷，單向可控硅導(dǎo)通后要使之截止必須使控制極與陰極之間外加的是反向電壓。在負(fù)載回路要使導(dǎo)通的可控硅關(guān)斷，可以斷開陽極電源開關(guān)1或使陽極電流小于維持導(dǎo)通的最小電流。當(dāng)可控硅陽極和陰極之間外加的是交流電且控制極沒有接通信號(hào)時(shí)，只要電壓過零，可控硅便會(huì)截止。

1.2 雙向可控硅交流電路

雙向可控硅是將2個(gè)單向可控硅反向組合，一只晶閘管的陰極與另一只晶閘管陽極連接，2個(gè)控制極短接為一個(gè)，就組成了具有輸入極、輸出極、控制極的雙向可控硅。在控制極上加正向或反向電壓可使其正向或反向?qū)?。這種裝置可控硅沒有反向耐壓問題，電路簡單，因此特別適合在交流回路替代觸點(diǎn)開關(guān)使用。當(dāng)控制極輸入控制信號(hào)時(shí)，無論信號(hào)是正還是負(fù)，均能使加載在輸入、輸出極間的正弦波在一個(gè)周期內(nèi)2個(gè)可控硅輪流導(dǎo)通半個(gè)周期。該電路廣泛運(yùn)用于單向交流電負(fù)載的自動(dòng)控制中。如工藝上常規(guī)的電伴加熱系統(tǒng)，通過預(yù)設(shè)管道加熱溫度參數(shù)，在參數(shù)超過設(shè)定下限或上限時(shí)，向可控硅發(fā)出接通或截止信號(hào)，從而控制管道加熱裝置運(yùn)行。對(duì)于溫度要求高、加熱裝置啟停頻繁的場所，可控硅尤為適用。

2 可控硅在三相電動(dòng)機(jī)控制電路中的應(yīng)用

2.1 繼電器控制的三相交流電動(dòng)機(jī)電路

常規(guī)繼電器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路都采用兩套交流接觸器作為啟動(dòng)設(shè)備。三相電源在兩組接觸器前后端采用換相連接，通過按鈕、中間繼電器或外接控制觸點(diǎn)對(duì)接觸器進(jìn)行操作，不同的接觸器動(dòng)作使得被操作電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)輸出。電路中在按鈕控制和接觸器動(dòng)作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電弧，因此不適用在易燃易爆場合;長期使用后觸頭將老化并灼傷，發(fā)生電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行或線路相間短路故障，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)或主接觸器等設(shè)備的損壞。

2.2 可控硅控制的三相交流電動(dòng)機(jī)電路

采用可控硅實(shí)現(xiàn)三相電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路如圖2所示。

由多只晶閘管組合而成的三相可控硅，控制電路中設(shè)置輸入信號(hào)端，動(dòng)力回路設(shè)置電源輸入輸出，通過隔離的弱電信號(hào)控制電源與負(fù)載的通斷狀態(tài)。該電路主回路通過控制5只大功率雙向可控硅的導(dǎo)通狀態(tài)替代2只分時(shí)接通的交流接觸器?？刂齐娐酚?只光耦組成，正轉(zhuǎn)命令接通時(shí)光耦U11、U12、U13導(dǎo)通，觸發(fā)可控硅Q1、Q3、Q5輸出三相交流電至電動(dòng)機(jī);反轉(zhuǎn)命令時(shí)光耦U21、U22、U13導(dǎo)通，觸發(fā)可控硅Q2、Q4、Q5輸出;通過Q1、Q2和Q3、Q4將A、B相電源換向達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。

3 可控硅電路保護(hù)設(shè)計(jì)

常規(guī)接觸器控制電路一般設(shè)置短路、過載、欠壓保護(hù)。為保障可控硅控制的三相異步電動(dòng)機(jī)電路安全可靠長期運(yùn)行，也必須設(shè)置必要的保護(hù)電路。設(shè)計(jì)的檢測(cè)保護(hù)電路可采用PLC為邏輯控制中心完成信號(hào)采集、報(bào)警和聯(lián)鎖。

3.1 過壓欠壓保護(hù)

電動(dòng)機(jī)應(yīng)在額定工況下安全運(yùn)行，為保證電源電壓符合波動(dòng)范圍，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)回路設(shè)置過壓欠壓保護(hù)。對(duì)于工況要求較高的電動(dòng)機(jī)采用電壓檢測(cè)模塊對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)。三相380VAC電路設(shè)置電壓波動(dòng)范圍±7%上限和下限，相電壓過壓上限報(bào)警設(shè)置235 V，欠壓下限設(shè)置205 V，當(dāng)電壓波動(dòng)不能滿足額定工況時(shí)報(bào)警并聯(lián)鎖停止工作。過壓欠壓保護(hù)線路保護(hù)范圍在電壓檢測(cè)點(diǎn)以前的電源端。

3.2 缺相、擊穿保護(hù)

電動(dòng)機(jī)等電氣設(shè)備中的絕緣是安全運(yùn)行的重要參數(shù)。斷路器、接觸器等元器件端子線路松脫均會(huì)造成電源缺相，電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行將導(dǎo)致繞組發(fā)熱，超過允許值會(huì)破壞絕緣甚至導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒毀。設(shè)置缺相保護(hù)可以有效避免電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行，保護(hù)范圍在電壓越限報(bào)警檢測(cè)點(diǎn)至電動(dòng)機(jī)機(jī)端?？煽毓柙舸p壞或性能降低將導(dǎo)致可控硅在未接通情況下輸出端及負(fù)載帶電，這時(shí)電路應(yīng)能及時(shí)報(bào)警提示故障檢修，避免故障擴(kuò)大。

設(shè)置電源缺相、擊穿檢測(cè)電路如圖3所示。該電路在電動(dòng)機(jī)端設(shè)置檢測(cè)點(diǎn)，將機(jī)端U、V、W三相電源通過電阻分壓后降至20VAC;再由橋式整流、穩(wěn)壓后輸出24VDC信號(hào)進(jìn)行判斷電源是否存在斷線。該電路用電阻分壓替代常規(guī)微型變壓器降壓更加簡單輕便，低壓電路保持在30 V以下安全電壓。邏輯上在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)未檢測(cè)到信號(hào)判斷為缺相;電動(dòng)機(jī)未接通運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到信號(hào)判斷為擊穿。以PLC為核心的檢測(cè)邏輯電路判斷電源缺相、擊穿時(shí)能及時(shí)報(bào)警，產(chǎn)生進(jìn)一步聯(lián)鎖。

3.3 過流保護(hù)

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組斷線時(shí)電源端電壓檢測(cè)電路無法檢測(cè)。該缺相保護(hù)必需通過電流檢測(cè)進(jìn)一步完善，將保護(hù)范圍延伸到電動(dòng)機(jī)內(nèi)部。

過流最嚴(yán)重的內(nèi)部繞組斷線情況是起動(dòng)前斷相也就是三相異步電動(dòng)機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)電源斷一相。這時(shí)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組流過的電流是堵轉(zhuǎn)電流，這個(gè)電流約為額定工作電流Ie的4～7倍。電動(dòng)機(jī)斷相運(yùn)行時(shí)持續(xù)發(fā)熱，不及時(shí)切斷電源將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)繞組燒毀。電動(dòng)機(jī)額定功率Pe下運(yùn)行中斷相剩余運(yùn)行相電流是1.732Ie，在0.58Pe輕載運(yùn)行中斷相剩余相運(yùn)行電流正好是Ie。電流檢測(cè)模塊檢測(cè)三相電流，在電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常斷相運(yùn)行情況時(shí)，根據(jù)電動(dòng)機(jī)實(shí)際工況設(shè)置報(bào)警動(dòng)作參數(shù)能夠檢測(cè)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部斷相情況，有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)安全運(yùn)行。

3.4 可控硅元件保護(hù)

（1）負(fù)載短路是可控硅損壞的主要原因?？煽毓枋褂脮r(shí)，過流或負(fù)載短路會(huì)造成可控硅永久損壞，可考慮在控制回路中增加快速斷路器或快速熔斷器予以保護(hù)。單臺(tái)電動(dòng)機(jī)快速熔斷器可按額定工作電流Ie的1.2倍選擇。快速熔斷器在結(jié)構(gòu)上與普通熔斷器不同，熔體采用純銀材料并制作成不規(guī)則形狀，配合熔斷器多段石英砂結(jié)構(gòu)更易于切斷短路電流，切斷短路電流時(shí)間遠(yuǎn)小于普通熔斷器。線路發(fā)生短路故障時(shí)，可控硅熱積累未達(dá)到損壞極限時(shí)快速熔斷器已切斷電源，從而達(dá)到保護(hù)可控硅元件的目的。

（2）斷態(tài)電壓臨界上升率是可控硅在控制極斷開條件下使可控硅導(dǎo)通的最低電壓上升率。實(shí)際應(yīng)用中可控硅電路在初始送電操作時(shí)極易產(chǎn)生過大電壓上升率，此時(shí)可控硅控制極無任何控制信號(hào)也將誤導(dǎo)通，造成短路并燒毀元件。通常利用阻容電路兩端電壓不能突變的特性在每只雙向可控硅（電動(dòng)機(jī)回路一般5只）兩端并聯(lián)R-C阻容吸收電路，來限制電壓上升率。

（3）采用可控硅開斷感應(yīng)式電動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)操作過電壓。對(duì)于電感越大的電動(dòng)機(jī)負(fù)載，可控硅斷開負(fù)載的瞬間操作過電壓就越高。在可控硅至電動(dòng)機(jī)之間線路三相相間裝設(shè)三組阻容（33Ω、0.47 μF）吸收元件，可以有效地限制操作過電壓，保護(hù)電動(dòng)機(jī)和可控硅絕緣不會(huì)擊穿損壞。

4 實(shí)際應(yīng)用

本文設(shè)計(jì)的電路在近期工程中得到應(yīng)用。閥門控制采用可控硅控制后，響應(yīng)命令并產(chǎn)生動(dòng)作的時(shí)間由秒級(jí)變?yōu)楹撩爰?jí)，速度比機(jī)械式繼電器控制速度快，能夠有效地執(zhí)行系統(tǒng)指令，保障系統(tǒng)安全。電路保護(hù)設(shè)計(jì)能夠有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)及可控硅元件絕緣。由于沒有機(jī)械式繼電器的行程動(dòng)作，投入運(yùn)行后的閥門控制單元故障率很低。同時(shí)該單元具有體積小、無噪音的特點(diǎn)，性能優(yōu)于采用繼電器控制電路。

5 結(jié)論

相對(duì)于常規(guī)交流接觸器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)電路，可控硅為無觸點(diǎn)式開關(guān)，無火花可用于防爆場所;無動(dòng)作部件壽命長、體積小、速度快、運(yùn)行無噪音;控制信號(hào)輸入與可控硅輸出采用光電耦合更利于安全操作;采用PLC或單片機(jī)為核心容易設(shè)計(jì)出滿足各種要求的控制電路。

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