高可靠性单相异步电机频繁高速启动触发电路

高可靠性 单 名单名单延期单出门单老板名单 相异步电机频繁高速启动触发电路 张寅孩 , 蔡 　骊 , 熊 　宇 , 张仲超 (浙江大学 , 杭州 　310027) 　　摘要 :提出了一种新型低成本过零触发电路 ,用双向晶闸管代替离心开关 ,高可靠地控制单相异步电机启动电 容的接入和断开 ,以满足大转矩频繁快速启动的需要。 关键词 :异步电机 ;双向晶闸管/ 过零触发 中图分类号 : TM34 ; TN344 　　文献标识码 :A 　　文章编号 :1000 - 100X(2003) 02 - 0063 - 03 A High Reliabil ity Trigger Circuit for Frequent and High2speed Start2up of Single Phase Inductive Motor ( SPIM) ZHAN G Yin2hai , CAI Li , XION G Yu , ZHAN G Zhong2chao ( Zhejiang U niversity , Hangz hou 310027 , China) Abstract :This paper presents a new zero cross trigger circuit with low cost , which adopts triac instead of centrifugal switch to control the SPIM starting capacitor connecting or disconnecting. A frequent and high2speed starting properties with large torque are achieved. Keywords : inductive motor ; triac ; zero2cross trigger 1 　引　言 众所周知 ,一台单相异步电动机的运行状况可 等效为一台三相异步电动机定子绕组仅一相供电时 的工况 ,故建立的磁势是由正、反转幅值相等的旋转 磁势合成的脉振磁势 ,无启动转矩。如果加强某一 方向磁势 ,削弱反方向磁势 ,使磁势由脉振变为旋 转 ,则电机就有了启动转矩。所以单相异步电动机 启动问题的根本环节 ,在于再建立一个相位和位置 均不同于原来存在的脉振磁势。 解决这个问题的途径有几种 ,文献[ 1 ]提出了一 种新的电子式启动方式 ,目的是省去辅助绕组中的 移相电容和离心开关 ,且方便地实现正、反转功能 , 但缺点是启动转矩较低 ,仅约为电容式分相启动转 矩的 65 %。尽管观点有新颖之处 ,但对于要求启动 电流较小而启动转矩较大的传动场合 ,不一定适宜。 传统的靠电容分相启动的单相异步电机 ,若电容量 选择得当 ,辅助绕组中的电流可超前于主绕组电流 近 90°,气隙内可建立起椭圆度较小的旋转磁场 ,启 动转矩 M q 可达 (2. 5～3. 5) M e ,而启动电流 Iq 却 较小 ,约为 (4. 5～5. 5) Ie ( Ie 为对应于 M e 的额定电 流) [2 ] ,故传统 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 仍有着广阔的应用场合。 辅助绕组串入适量电容 ,运行中能改善功率因 数和过载能力。较大电容值对提高启动转矩有一定 收稿日期 :2002 - 10 - 08 定稿日期 :2002 - 11 - 20 作者简介 :张寅孩 (1965 - ) ,男 ,浙江台州人 ,博士生 ,研 究方向为电力电子与电力传动 好处 ,但长时间运行将导致辅助绕组过热而烧 毁。因而通常在辅助绕组中采用双电容 ,运行电容 C1 参与整个过程 ,而启动电容 C2 完成启动后脱离 电源 ,见图 1。这样就带来了新的问题 ,即对于启动 转矩要求大而又频繁启动的场合 ,如何去可靠实现 C2 的通、断过程。 图 1 　系统接线图 诸多文献认为 ,靠离心开关使 C2 脱离电源是 一种笨拙的做法 ,在成本和触点寿命上都存在问题。 常见的都用双向晶闸管来替代 ,但几乎所有文献都 没有深入考虑 C2 通态时流过大电流和关断时电流 突然截止对晶闸管安全性造成的影响。文中重点针 对该问题作分析 ,以满足实用需要。 2 　启动转矩与 C2 的关系 C1 的选取在电机设计过程中完成 ,即使电机在 额定点运行时 ,旋转磁势接近圆形。C1 随电机容量 及匝比不同而不同。下面着重分析与单相异步电机 启动特性密切相关的 C2 选取 ,即选择启动时总电 容的阻抗 Zc 与主、副绕组的有效匝比 w ,使得启动 品质因数 M q/ Iq 较高。对于 C1 已设计确定了的电 机 , C2 就成为唯一变量。 36 第 37 卷第 2 期 2003 年 4 月 　　　　　　　　　　　　　　　　 电力电子技术 Power Electronics 　　　　　　　　　　　　　　　　 Vol. 37 ,No. 2 April ,2003 通过分析单相异步电机启动等效电路和电流圆 图[3 ] ,可得与产生最大启动转矩的总电容 C 对应的 电容电抗为 : Xc = Xa + 2 w 2 Xf - Ra R m Zm + X m (1) 获得最高品质因数所对应的总电容电抗为 : Xc = Xa + 2 w 2 Xf - X m - Zm Iq/ Im ( Iq/ Im) 2 - 1 (2) 总电容为 : C = 10 6 2πf Xc ,则 C2 = C - C1 。 启动转矩为 : M q = 1. 95 w n Cr R m Im Ia sin (θm - θa) (3) 式中 　Xa 副绕组启动漏电抗 Xf 启动正序电抗 Rm , Ra 主、副绕组启动总阻抗实部 Zm 主绕组启动总阻抗幅值 Xm 主绕组启动总阻抗虚部 Iq 总启动电流 Im , Ia 主、副绕组启动电流 θm ,θa 主、副绕组启动阻抗角 n 同步转速 Rm 主绕组电阻 启动时 , Im 只取决于主相参数 Zm ,与副相参数 无关 ;而 Ia 只取决于副相参数 Za ,与主相参数无 关。因此 ,主相参数确定后 ,副相电容 C 的改变会 影响 Ia 及θa ,以致产生不同的启动转矩。一般 C2 增大 , Ia ,θa 及 M q 增大。 一台单相异步电动机 , P = 280W , U = 220V ,最 大转矩 1. 75N·m ,额定电流 1. 8A ,功率因数 0. 97 , 额定转速 2800r/ min。电机设计过程中选 C1 = 10μF ,根据实际需要综合考虑式 (1) ～ (3) ,求得 C2 约 50μF ,能满足启动后在 300ms 内达到额定转速的 要求。显然 , C2 比 C1 大许多 ;同样 , C2 通过的启动 电流远大于 C1 。C2 支路的通、断过程应该考虑大 启动电流、高关断电压对开关器件的冲击影响。 实验测定 ,该系统满负荷启动下 , C2 支路电流 有可能超过 15A ,设定可靠关断条件 ,频繁试验下晶 闸管仍经常过热烧毁 ;关断时 (设定可靠开通条件) , 晶闸管 V T2 ,V T1 两端电压为 : V T2 , T1 = U i + U C2 + L d i/ d t = U C1 + U C2 = 1 C1∫id t + U C2 (4) 显然 ,因辅助绕组支路电容量剧降将引起晶闸 管 V T2 ,V T1 两端出现瞬时过电压 (实测 > 1000V) , 即使采用了复杂的过电压吸收支路 ,对于低价易购 型的双向晶闸管 (600V/ 16A) ,也不能排除反向击穿 的恶果。 3 　电路分析 为此引入过零开通、关断触发电路 ,因晶闸管门 极触发对干扰脉冲十分敏感 ,尤其是非正常时刻的 关断信号导致其瞬时过电压击穿 ,故触发电路在构 造上十分巧妙 ,以关断电路 (见图 2) 为例 ,主要体现 在 : ①极低的成本 ; ②无竞争冒险 ; ③对干扰脉冲有 免疫力 ; ④无需附加电路即可较精确地控制启动时 间 ; ⑤降低晶闸管容量。 图 2 　过零关断简明电路 由图 2 知 ,比较器的输入信号直接取自变压器 次级 ,其输出为过零脉冲信号 ,与电网同频。电动机 启动指令发出后 ,过零启动电路在某一最近的过零 时刻接通主开关 MS(见图 1) ,并同步送出暂态脉冲 (宽度远小于电网周期) 迫使分频器复位 ,接入 C2 , 同时 CP 时钟通路打开 ,等待 C2 切断以完成启动过 程。因电网周期 T 固定 ,设启动时间为 t1 (见图 3) ,则 t1 = T 3 2^ n ,也即只有经过 2^ n 个电网周期 后 , C2 才在过零时刻断开 ,脉冲源通道被彻底封锁 , 等待下一次启动。 图 3 　启动过程转速响应示意图 在 0～ t1 时段内 ,假如间或有干扰脉冲 ,分频器 的最低位 ( L B = Q0) 状态改变一次 ,但不会立即导 致 Q n (系统中 n = 4) 状态的改变 ,至多略微加大启 动时间。通常 t1 很短 ,在 0～ t1 时段内因干扰脉冲 迅速累积 ,造成 C2 误切断的概率微乎其微 ,晶闸管 的门极控制信号被可靠锁定在过零时刻。实验表 明 ,若晶闸管门极直接连至分频器前级 ,电网上的干 扰脉冲将是系统失效的致命因素 ,因对干扰较敏感 , 难以简单地确保安全关断。依据是在反压吸收支路 上再并联额定 650V、通态电流 1000A 的压敏电阻 , 该电阻仍会出现发热甚至烧毁现象 ,说明仍存在较 强的关断电压。 46 第 37 卷第 2 期 2003 年 4 月 　　　　　　　　　　　　　　　　 电力电子技术 Power Electronics 　　　　　　　　　　　　　　　　 Vol. 37 ,No. 2 April ,2003 双向晶闸管工作在电平触发方式 ,整个控制电 路的功耗小于 3W。 4 　实验结果分析 图 3 表示启动过程额定转速响应。不加 C2 ,需 要 800ms 才能达到额定转速 ;加 C2 后 ,最多 t1 = 300ms 即完成响应 ,频繁快速启动工况下 ,电机温升 仍正常。图 4 为双向晶闸管 V T1 ,V T2 两极关断电 压波形 ,设 t = 0 (对应于图 3 中的 t1 时刻)为关断时 刻 ,其跃变电压不超过关断达到稳态后的正弦电压 峰值 ( < 500V) 。图 6 为双向晶闸管导通电流波形 , 形状与电压波形非常接近 ,在 300ms 快速启动时间 内 ,起始冲击电流不大于稳态电流峰值。图 5 为启 动过渡过程单相异步电机总电流波形 ,启动电流主 要由副相绕组支路决定 ,被严格限制在 10A 以下。 图 4 　双向晶闸管 V T1 ,V T2 两极关断电压波形 实验证实了该触发电路的设计期望 ,带来的好 处立竿见影 ,晶闸管浪涌电压吸收支路用一般阻容 串联即可 ,门极电路甚至省略了抗干扰高频电容 ,模 拟恶劣的电网环境 ,经过 4 个月不间断试运行 (约启 动 50 万次) ,无失效现象。之前 ,最多启动 10 次晶 闸管即遭击穿 ,证明效果十分理想。 图 5 　启动过渡过程单相异步电机总电流波形 图 6 　双向晶闸管启动电流波形 参考文献 : [ 1 ] Rabinovici R , Keller Z. New Electronic Starter for Single Phase Induction Motors[J ] . IEEE Transaction on Mag2 netics , 1996 , 32 (5) :5022～5024. [2 ] 顾绳谷. 电机及拖动基础[ M ] . 北京 :机械工业出版社 , 1983. [3 ] 郭五昌. 单相异步电机原理、计算与试验 [ M ] . 河北 :河 北人民出版社 ,1984. (上接第 43 页) 图 11 　无去抖动电路的输出波形 图 12 　有去抖动电路的输出波形 7 　结束语 在讨论数字移相触发电路的基础上 ,详细地分 析了输入噪声造成的危害 ,针对数字移相触发的特 点 ,提出了一种简单易行的去抖动的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,其电路完 全由数字电路组成 ,易于集成 ,对集成电路的工艺要 求不高 ,产品的成品率高 ,而且电路简单 ,成本 (芯片 面积、调试成本 ) 并没有增加很多。所研制的 XH001 芯片即为采用了此去抖动电路的改进型数 字移相触发电路 ,其性能优越 ,应用前景十分广阔。 参考文献 : [1 ] 郑福祥. J P - SSY01 数字移相式集成电路的原理及应 用[J ] . 国外电子元器件 ,2002 (3) :51～53. [2 ] 李 　宏 ,熊光宇 ,乔东升. 高性能全数字化晶闸管触发 器 KC168 的研制及应用[J ] . 电气传动. 2000 (2) :58～ 59. [3 ] 郑君里 ,杨为理. 信号与系统 ( 上册 三年级上册必备古诗语文八年级上册教案下载人教社三年级上册数学 pdf四年级上册口算下载三年级数学教材上册pdf ) [ M ] . 北京 :高等 教育出版社 ,1997. [4 ] 艾伦 P. E , 霍尔伯格 D. R. CMOS模拟电路设计 [ M ] , 王正华 ,叶小琳译. 北京 :科学出版社 ,1995. 56 高可靠性单相异步电动机频繁高速启动触发电路