电力电子学
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电力电子学是研究开关电子电路以控制电能流动的学科。电力电子学是开关电源、电源转换器、电源逆变器、电机驱动器和电机软启动器的技术基础。
二极管
肖特基二极管
功率双极结型晶体管
MOSFET
晶闸管
可控硅
门极关断晶闸管
绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)
门极换向晶闸管
电机和其他大多数 执行器 通常通过一个 功率晶体管 间接连接到电源，该晶体管充当开关，允许能量从电源流向电机或将电机与电源断开。（CPU 也连接到晶体管，它选择何时打开或关闭）。
当开关打开时，来自电源的大部分功率都会流向电机。不幸的是，一些功率被功率晶体管中不希望存在的寄生电阻所捕获，导致其发热。通常需要散热器来防止晶体管过热和自毁。几乎所有现代台式机或笔记本电脑都需要在 CPU 和显卡上使用散热器。（典型的机器人需要在功率晶体管上使用散热器，但在其小型 CPU 上不需要）。
“应用笔记 AN533：处理和安装热管理注意事项” [2] 描述了“如何为半导体器件计算合适的散热器”。这似乎适用于所有功率半导体——FET、BJT、Triac、SRC 等。它给出了 DPAK 和 D2PAK 在仅 FR4、FR4 加散热器、绝缘金属基板 (IMS) 和 IMS 加散热器的情况下的热阻。
这些功率半导体散热背后的原理与 PC CPU 散热 的原理相同。
双向可控硅有 3 个引脚。双向可控硅的外观和控制方式与 PNP 功率晶体管非常相似。双向可控硅可以像继电器一样控制电路中的交流电源——它要么是导通（短路）要么是断开（开路）。
打开双向可控硅很容易：通常将数字逻辑连接起来，使其 Vdd 连接到双向可控硅 A1 引脚。一些数字逻辑输出引脚连接到一个连接到双向可控硅门极引脚的小电阻。当数字逻辑将门极引脚下拉至低电平（靠近 Vss）时，双向可控硅触发并完全导通。
只要双向可控硅处于导通状态，A1 和 A2 引脚就会表现得像短路在一起一样。电流可以双向流过双向可控硅——无论 A2 高于 A1 电压还是低于 A1 电压。
关闭双向可控硅有点困难。首先，数字逻辑输出驱动门极引脚为高电平（因此它与公共 A1 引脚的电压相同）。但双向可控硅会一直保持导通状态，直到流过双向可控硅的电流下降到保持电流以下。通常，双向可控硅与 50Hz 或 60Hz 交流电源一起使用，因此数字逻辑试图关闭双向可控硅后，双向可控硅可能会保持导通状态长达 10 毫秒。
双向可控硅关闭后，A2 会表现得像与双向可控硅的其他部分断开连接并隔离一样（只要外部电路不会将其驱动到超出其电压额定值，通常为正负几百伏）。
驱动双向可控硅与驱动 PNP 晶体管非常相似——“门极”类似于“基极”，“A1”类似于“发射极”，“A2”类似于“集电极”。
迄今为止，最常用的控制连接到市电的交流负载的硅器件是双向可控硅。[1] 当控制交流电源时，双向可控硅比 BJT 或 FET 晶体管作为开关工作得更好。当 A2 可以相对于 A1 和门极上下波动数百伏时，双向可控硅可以保持断开状态。很难防止 BJT 或 FET 晶体管在“反向”方向上自发导通。
当控制直流电源时，PNP 晶体管比双向可控硅作为开关工作得更好。即使有电流流过 PNP 晶体管，它也可以快速关闭。当直流电流流过双向可控硅时，它会无限期地保持导通状态。
“无续流双向可控硅”或“逻辑电平双向可控硅”不会在 A2 导线处于负电压（相对于 A1）的情况下通过正门极电流导通，但它们会在 A2 导线处于正电压的情况下通过正门极电流导通。[2] 一些“标准”双向可控硅会通过正门极电流（类似于功率 NPN 晶体管）导通，无论 A2 是正还是负，但这种“正门极电流触发”不建议使用。“负门极电流触发”是首选。[3][4]
交流-直流转换器（整流器）
直流-交流转换器（逆变器）
直流-直流转换器（斩波器）
交流-交流转换器（环流变频器）
软启动器[5]
在工业应用中，几乎所有东西都使用电机，事实上，电机可能占我们国家能源消耗的 80%。通常有三种不同的方法来启动电机：全电压、降压和逆变器。全电压、全压或直接在线 (DOL) 启动使用接触器，接触器是一种重型三相继电器。降压启动可以通过几种不同的方式实现：自耦变压器、星形-三角形、初级电阻器/电抗器或使用固态软启动器。逆变器通常称为驱动器。本文重点介绍固态软启动器（从这里开始仅称为软启动器）：它们是什么，为什么要使用它们，它们的构造和应用。
软启动器是一种固态电机启动器，用于通过对电压波形进行分级控制来启动或停止电机，从而降低电机各相的电压，并逐渐提高电压，直到电机以固定频率达到全电压/全速。电压上升的曲线取决于应用。电压由 3 对背靠背的硅控整流器 (SCR)（图 1）控制和降低，SCR 是一种高速晶闸管。软启动器可以替代接触器，也可以在标准电机启动应用中替代过载继电器。图 1 演示了软启动器控制从三相电源连接的星形或三角形连接电机的配置。
图 1：标准软启动器拓扑
通常，使用软启动器有两个原因：配电网络可能无法承受电机的涌入电流，或者负载无法承受高启动转矩。作为经验法则，电机启动时会使用其额定负载电流 (FLA) 的 600% 到 800%。这种电流称为涌入电流或堵转电流。一些系统在通电时会短暂地吸收正常运行电流的 50 倍。[6] 如果大型电机连接在较小的配电网络或发电机系统上，这种涌入电流会导致系统电压下降或“电压骤降”。电压骤降会导致连接到系统的其他设备出现问题，例如计算机、灯具、电机和其他负载。另一个问题是系统可能无法启动电机，因为它无法提供或供应足够的电流。大多数工业企业在白天运营，如果因为大马力 (HP) 电机启动导致出现大的瞬态，会在高峰使用时间被处以罚款或额外收费（峰值需求费）。这些峰值需求费会很快累积起来，特别是如果电机在任何一天需要启动多次。涌入电流可以通过软启动器以两种方式之一进行控制：要么通过电流限制（稍后讨论），要么通过降低的电压线性减少，并遵循此近似值
像传送带这样的应用可能无法承受跨线启动带来的突然转矩冲击。使用软启动器可以降低电机转矩，减少皮带、传送带、齿轮、链条和齿轮箱的磨损。转矩随着电压的平方而减小，并遵循此近似值
由于软启动器通常由微处理器控制和监控，因此可以很容易地在软启动器中添加许多功能和保护功能。它可以提供启动时间选择、有限的速度控制和节能功能。可以使用电流互感器、电压表和内部时钟实现功率监控，例如三相电流、三相电压、功率、功耗、功率因数和电机热容量使用情况。通过上述实现，还可以通过停止 SCR 的触发、使旁路接触器断开（接触器在电机达到速度后承载电机负载）和/或通过微处理器和另一台计算机之间的某种通信方式向用户发出警报来提供对以下列出项目的电机或软启动器的保护（表 1）。
软启动器可以提供的可能保护
- SCR 开路栅极
- 相位不平衡
- 电源丢失
- 欠压
- 过热
- 卡死
- 欠载
- 相序反接
- 过载
- 过压
- 停转
- 过多的启动次数/小时
- 线路损耗
- 接地故障
- 旁路故障
通常，软启动器采用三对反向并联连接的 SCR，以允许电流流向电机或从电机流出。软启动器可以通过控制一相或两相来制造，但这篇论文将重点介绍最普遍的实现方式，即三相控制。软启动器的每一相都可以通过反向并联连接的 SCR 对（图 2）、反向并联连接的 SCR/二极管对（图 3）或可控硅（图 4）来控制，具体取决于成本和/或质量。工业中最普遍的开关可能是 SCR 对，也是本文的重点。软启动器几乎专门用于启动和停止，而不是在运行期间使用，因为 SCR 上的压降会导致其产生热量损失。
图 2：SCR 对
图 3：SCR/二极管对
图 4：可控硅
标准软启动器组件使用每相一个 SCR 对，一旦电压达到全电压的 1.1V（取决于 SCR 上的压降），与 SCR 对并联的旁路接触器（在软启动器内部或外部）就会接通（图 5）。一旦接通，SCR 就会停止触发。通常，旁路接触器的尺寸要比全电压启动所需的接触器小得多，因为接触器只需要能够承载电机的额定负载电流。由于机械触点无法承受涌入电流，因此必须正确选择 SCR 的尺寸以承受电机的堵转电流。
图 5：带旁路接触器的标准软启动器拓扑
从 SCR 到旁路的转换也应该在接近全速的情况下进行，以最大限度地减少电流跳变（图 6）。图 7 显示了低速转换；转换时会在接近堵转电流或启动电流时发生电流跳变，从而削弱了软启动器的作用。
图 6：接近全速转换 [7]
图 7：低速转换 [7]
软启动器通过“分级”施加的正弦波形来降低电压，其模拟图可以在图 8 到 13 中看到。分级是中波形中零电压区域的非技术术语，如图 9 所示。图 9 还显示了绿色中的正向触发 SCR 脉冲和蓝色中的反向触发脉冲，以对输出电压进行分级控制。图 10 到 13 显示了从 90º 触发角到 30º 的演变过程。随着分级尺寸的减小，Vrms 和 Irms 都会增加。由用户确定的初始电压通过根据软启动器的预设曲线变化触发角来逐步提高到全电压。软启动器可以通过开环控制或闭环控制来控制。
图 8：单相模拟
图 9：单相模拟（90º 触发角、电压和电流）
图 10：90º ~ 341Vrms
图 11：70º ~ 405Vrms
图 12：50º ~ 452Vrms
图 13：30º ~ 469Vrms
开环控制的一个例子是电压斜坡（图 14），电压以线性方式从初始电压上升到全电压，而不考虑负载。泵启动是另一种形式的开环控制。泵启动器的触发电路以允许速度/转矩以更有效的方式上升的曲线（图 15）来提高电压，并有助于防止水锤现象，水锤现象是泵应用中常见的问题。图 14 到 15 还显示了软停止的示例。像电流限制（图 16）这样的应用使用来自电机或线路电流/电压的反馈来根据需要改变 SCR 的触发角，因此是闭环控制。所有列出的控制方案都监控电机的反电动势，以免变得不稳定。
图 14：电压斜坡 [7]
图 15：泵启动 [7]
图 16：电流限制 [7]
通过添加两对额外的 SCR 对来切换两个相位，可以将软启动器用于反转应用。例如，线路相位“b”连接到负载相位“c”，反之亦然。如图 17 所示，L2（“b”）连接到 T3（“c”），而 L3（“c”）连接到 T2（“b”）。三角形配置的电机也可以用软启动器控制（如图 18 所示），但其电流将高于线路连接的电机。为了解决较大的电流切换问题，可以将软启动器连接到“三角形内部”，如图 19 所示。这种配置将允许软启动器控制比线路连接的电机更大的电机，并能达到 √3 倍的优势。例如，“三角形内部”的软启动器可以切换 277A 负载，而线路连接的软启动器需要能够切换 480A 来控制相同额定值的电机负载。 “三角形内部”的缺点是它需要从电机引出六根线，这对于大马力电机来说可能会增加成本。
图 17：反向软启动器拓扑结构
图 18：三角形软启动器拓扑结构
图 19："三角形内部" 拓扑结构
以上是一些软启动器应用的物理变体。相反，快速启动和低速斜坡是一些可以通过不同的 SCR 点火角编程来实现的其他应用。
高惯性负载特性
[edit | edit source]以下是不同软启动器在高惯性负载应用中模拟的计算结果。表 2 包含了模拟的电机特性。图 20-21 显示了与锁转电流 LRA 为 FLA 的 600% 且锁转转矩 LRT 或启动转矩为满载转矩的 180% 的电机相比的普通全压启动。有关 %电流 & % 转矩与速度曲线的解释，请参见附录图 35。表 2：模拟电机电机信息负载信息电机类型 NEMA B 负载类型高惯性额定功率 200 负载惯性 36000 额定速度 1750 负载速度 605 频率 60 %负载系数 80%
- 极数 4 电机惯性 100
LRA % 600% %效率损失 30% LRT% 180%
电机必须选择合适的尺寸，以确保其转矩相对于负载足够大，否则电机将无法启动，无论启动器的类型如何。
图 20：全压启动 [8]
图 21：全压启动 [8]
如图 22 所示，启动电流从 600% 降低到大约 400%，初始启动转矩设置为 50%。对于这种电机应用，初始转矩不能低于负载转矩，否则可能会发生停转（稍后讨论）。
图 22：软启动电机启动特性 [8]
在电流限制启动（图 23）中，电流限制在指定的值，在本例中为 FLA 的 450%。电流可以限制的最低水平取决于电机转矩。同样，在设置电流限制时需要注意，确保电机转矩不会低于负载转矩，以避免停转情况。
图 23：电流限制电机启动特性 [8] 高惯性负载速度特性 图 24-25 用于与直接启动进行比较。
图 24：软启动 [8]
图 25：电流限制启动 [8]
高惯性停转情况
[edit | edit source]停转发生在电机转矩无法超过负载转矩，电机无法旋转时。当这种情况发生时，电机将比 FLA 吸收更多的电流以试图旋转负载，这再次违背了软启动器的目的。如果电机转矩低于负载转矩，则可能会发生电机停转；对于高惯性负载，启动负载转矩相当高，并且保持相对较高。图 26-27 显示了软启动或电流限制启动可能发生的停转情况（用箭头突出显示）。图 26-27 和 32 可能略微误导，因为一旦电机停转，速度将不再增加。
软启动器设置启动类型软启动初始转矩 % 40%
图 26：软启动停转 [8] 软启动器设置启动类型电流限制初始电流% 300%
图 27：电流限制停转 [8]
泵应用负载特性
[edit | edit source]泵应用模拟使用与之前的高惯性应用相同的电机特性，但连接到泵上。泵负载从几乎没有负载转矩开始，并随着速度的增加而增加。图 28 中的红线显示了负载转矩。电机信息负载信息电机类型 NEMA B 负载类型泵额定功率 200 负载惯性 36000 额定速度 1500 负载速度 605 频率 60 %负载系数 80%
- 极数 4 电机惯性 100
LRA % 600% %效率损失 30% LRT% 180%
电机转矩越接近泵的转矩，且不低于泵的转矩，则节能的潜力就越大。由于几乎没有启动负载转矩，软启动可以设置得比高惯性负载低得多。图 28 设置为锁转转矩的 2%。
图 28：泵软启动 [8]
使用这种应用的电流限制启动，电机转矩比上面的软启动（用箭头突出显示）更靠近负载转矩（用箭头突出显示），从而可以实现更多的节能。图 29 设置为锁转转矩的 225%。
图 29：泵电流限制 [8]
泵应用速度特性 图 30-31 是用于与直接启动进行比较的速度与时间曲线。
图 30：软启动 [8]
图 31：电流限制 [8]
泵应用停转情况
[edit | edit source]对于泵应用，几乎没有启动转矩，软启动选项几乎不会出现故障。然而，电流限制在其启动曲线中存在固有的下降，因此，必须注意避免停转情况。图 32 的电流限制设置为 FLA 的 200%，电机在达到其全速的约 50% 时开始停转（用箭头突出显示）。
图 32：泵停转 [8]
结论
[edit | edit source]软启动器是一种通用的启动器，可以采取多种形式，并用于启动许多不同的应用。除了保护皮带输送机和锯木厂等应用外，它还可以通过降低启动电流和启动转矩来帮助节省大量能源，并有助于阻止许多对电机有害的情况。附录
图 33：快速启动曲线 [7]
图 34：低速和低速反向曲线 [8]
图 35：速度/电流与转矩曲线解释 [9]
其他软启动器
[edit | edit source]软启动电路在许多应用中都有用，即使是那些不使用电机的应用。
例如，当简单的开关稳压器第一次连接到简单的太阳能阵列时，阵列电压会下降，导致稳压器吸收更多电流，导致阵列电压进一步下降，导致稳压器吸收更多电流，等等。结果是“电压崩溃”，系统锁定在不希望的状态。 [10] [11]
style="text-align:center;" | Soft-start circuits are one solution to this latchup problem.
参考文献
[edit | edit source]- ↑ ST 应用笔记 AN3169："三端双向开关器件在快速瞬态电压下的性能比较"
- ↑ ST 应用笔记 AN3168: "非隔离式 SCR/三端双向开关器件控制电路"："无浪涌抑制或逻辑电平三端双向开关器件...无法在 Q4 中触发。...负电源...拓扑结构是首选。控制电路从门极吸收门极电流。然后器件在 Q2 和 Q3 象限中工作。"
- ↑ NXP 应用笔记："晶闸管和三端双向开关器件 - 在您的应用中取得成功的十条黄金法则"
- ↑ ST 应用笔记 AN307: "三端双向开关器件在感应负载上的使用"："由直流控制门极可以保证理想的触发，但缺点是功耗高，特别是在控制电源由市电提供的情况下。在这种情况下，最好使用负电流控制门极（象限 II 和 III）。"
- ↑ "软启动器" http://pages.google.com/edit/jszagorski/EE572_revFinal.pdf
- ↑ Rod Elliott. "涌流抑制". 2010. [1]
- ↑ 艾伦-布拉德利公司，“公告 150 应用和产品指南”，1998 年 9 月。
- ↑ 艾伦-布拉德利公司，“公告 150 应用和产品指南”，1998 年 9 月。
- ↑ 艾伦-布拉德利公司，“公告 150 应用和产品指南”，1998 年 9 月。
- ↑ Jerrold Foutz. "太阳能电池阵电源系统电池锁定". 1996 - 2003.
- ↑ "简单的软启动电路提供较长的启动时间". 电子设计. 1998.
- [1] Larabee, J.，Pellegrino, B.，Flick, B.，“感应电机启动方法和问题”，IEEE PCIC-2005-24。
- [2] Lukitsch, W.J.，“软启动与交流变频器 - 了解差异”，IEEE 年纺织、纤维和薄膜工业技术会议论文集，亚特兰大，佐治亚州，1999 年 5 月，第 1-5 页。
- [3] McElveen, R.F.，Toney, M.K.，“启动高惯性负载”，IEEE 工业应用学报，第 17 卷，第 1 期，2001 年 1 月/2 月
- [4] 未知，“感应电机的软启动器”，2002 年，http://www.lmphotonics.com/sstart.htm
- [5] Allen, J.P.C.，“立即启动：对降压交流电机启动器的回顾”，IEEE 年纺织、纤维和薄膜工业技术会议论文集，夏洛特，北卡罗来纳州，1992 年 5 月，第 1-10 页。
- [6] Mungenast, J.，“固态交流电机启动器的设计和应用”，IEEE 工业应用学报，第 IA-12 卷，第 1 期，1976 年 1 月/2 月，第 39-42 页。
