可控硅在电动机控制中的应用

赵山

[摘    要]可控硅也称晶闸管，在自动控制中可控硅比机械式继电器更适用于负载需要频繁接通、断开操作的电路。在三相电动机控制电路中，通常机械式继电器作为主要控制器件。但在类如管道电伴加热、电动阀门这样需要频繁启停的负载，机械式继电器由于反复操作故障率明显提高;同时电气触点操作中会产生电弧，多次操作后将引起触头烧毁或短路故障。三相可控硅电源接通、断开时不产生电弧，适用于防爆场所;可控硅没有机械式行程动作，寿命长不易损坏;因此性能优于机械式继电器，在现今电动机控制电路中得到广泛应用。本文对比2种控制方式阐述了可控硅控制的低压三相380V交流异步电动机电路设计的特点。为保证可控硅在电动机控制回路可靠运行，介绍了几种在实际工程中保护的应用。通过设置完善的保护电路，确保可控硅元件在电动机控制中安全可靠运行。

[关键词]可控硅;电动机控制;电路设计

[中图分类号]TM302 [文献标志码]A [文章编号]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 可控硅常規应用

1.1 单向可控硅直流电路

图1中采用单向可控硅控制负载接通断开状态，开关1将负载与直流电源连接，开关2为控制极提供正向触发信号。要使可控硅导通，需在它的阳极与阴极之间外加正向电压，同时在它的控制极与阴极之间输入一个正向触发电压。电源与可控硅在这种连接方式下，可控硅阳极和控制极相对于阴极所加的都是正向电压。

在电源与负载接通时控制极通过外加正向触发信号使可控硅导通，撤销信号却不能使它关断，单向可控硅导通后要使之截止必须使控制极与阴极之间外加的是反向电压。在负载回路要使导通的可控硅关断，可以断开阳极电源开关1或使阳极电流小于维持导通的最小电流。当可控硅阳极和阴极之间外加的是交流电且控制极没有接通信号时，只要电压过零，可控硅便会截止。

1.2 双向可控硅交流电路

双向可控硅是将2个单向可控硅反向组合，一只晶闸管的阴极与另一只晶闸管阳极连接，2个控制极短接为一个，就组成了具有输入极、输出极、控制极的双向可控硅。在控制极上加正向或反向电压可使其正向或反向导通。这种装置可控硅没有反向耐压问题，电路简单，因此特别适合在交流回路替代触点开关使用。当控制极输入控制信号时，无论信号是正还是负，均能使加载在输入、输出极间的正弦波在一个周期内2个可控硅轮流导通半个周期。该电路广泛运用于单向交流电负载的自动控制中。如工艺上常规的电伴加热系统，通过预设管道加热温度参数，在参数超过设定下限或上限时，向可控硅发出接通或截止信号，从而控制管道加热装置运行。对于温度要求高、加热装置启停频繁的场所，可控硅尤为适用。

2 可控硅在三相电动机控制电路中的应用

2.1 继电器控制的三相交流电动机电路

常规继电器控制的三相异步电动机正反转控制电路都采用两套交流接触器作为启动设备。三相电源在两组接触器前后端采用换相连接，通过按钮、中间继电器或外接控制触点对接触器进行操作，不同的接触器动作使得被操作电动机正转或反转输出。电路中在按钮控制和接触器动作时都会产生电弧，因此不适用在易燃易爆场合;长期使用后触头将老化并灼伤，发生电动机缺相运行或线路相间短路故障，导致电动机或主接触器等设备的损坏。

2.2 可控硅控制的三相交流电动机电路

采用可控硅实现三相电动机正反转控制电路如图2所示。

由多只晶闸管组合而成的三相可控硅，控制电路中设置输入信号端，动力回路设置电源输入输出，通过隔离的弱电信号控制电源与负载的通断状态。该电路主回路通过控制5只大功率双向可控硅的导通状态替代2只分时接通的交流接触器。控制电路由5只光耦组成，正转命令接通时光耦U11、U12、U13导通，触发可控硅Q1、Q3、Q5输出三相交流电至电动机;反转命令时光耦U21、U22、U13导通，触发可控硅Q2、Q4、Q5输出;通过Q1、Q2和Q3、Q4将A、B相电源换向达到控制电动机正反转的目的。

3 可控硅电路保护设计

常规接触器控制电路一般设置短路、过载、欠压保护。为保障可控硅控制的三相异步电动机电路安全可靠长期运行，也必须设置必要的保护电路。设计的检测保护电路可采用PLC为逻辑控制中心完成信号采集、报警和联锁。

3.1 过压欠压保护

电动机应在额定工况下安全运行，为保证电源电压符合波动范围，应在电动机回路设置过压欠压保护。对于工况要求较高的电动机采用电压检测模块对电源电压进行检测。三相380VAC电路设置电压波动范围±7%上限和下限，相电压过压上限报警设置235 V，欠压下限设置205 V，当电压波动不能满足额定工况时报警并联锁停止工作。过压欠压保护线路保护范围在电压检测点以前的电源端。

3.2 缺相、击穿保护

电动机等电气设备中的绝缘是安全运行的重要参数。断路器、接触器等元器件端子线路松脱均会造成电源缺相，电动机缺相运行将导致绕组发热，超过允许值会破坏绝缘甚至导致电动机烧毁。设置缺相保护可以有效避免电动机缺相运行，保护范围在电压越限报警检测点至电动机机端。可控硅元件击穿损坏或性能降低将导致可控硅在未接通情况下输出端及负载带电，这时电路应能及时报警提示故障检修，避免故障扩大。

设置电源缺相、击穿检测电路如图3所示。该电路在电动机端设置检测点，将机端U、V、W三相电源通过电阻分压后降至20VAC;再由桥式整流、稳压后输出24VDC信号进行判断电源是否存在断线。该电路用电阻分压替代常规微型变压器降压更加简单轻便，低压电路保持在30 V以下安全电压。逻辑上在电动机运行时未检测到信号判断为缺相;电动机未接通运行时检测到信号判断为击穿。以PLC为核心的检测逻辑电路判断电源缺相、击穿时能及时报警，产生进一步联锁。

3.3 过流保护

电动机内部绕组断线时电源端电压检测电路无法检测。该缺相保护必需通过电流检测进一步完善，将保护范围延伸到电动机内部。

过流最严重的内部绕组断线情况是起动前断相也就是三相异步电动机静止状态时电源断一相。这时启动电动机绕组流过的电流是堵转电流，这个电流约为额定工作电流Ie的4～7倍。电动机断相运行时持续发热，不及时切断电源将导致电动机绕组烧毁。电动机额定功率Pe下运行中断相剩余运行相电流是1.732Ie，在0.58Pe轻载运行中断相剩余相运行电流正好是Ie。电流检测模块检测三相电流，在电动机出现异常断相运行情况时，根据电动机实际工况设置报警动作参数能够检测电动机内部断相情况，有效地保护电动机安全运行。

3.4 可控硅元件保护

（1）负载短路是可控硅损坏的主要原因。可控硅使用时，过流或负载短路会造成可控硅永久损坏，可考虑在控制回路中增加快速断路器或快速熔断器予以保护。单台电动机快速熔断器可按额定工作电流Ie的1.2倍选择。快速熔断器在结构上与普通熔断器不同，熔体采用纯银材料并制作成不规则形状，配合熔断器多段石英砂结构更易于切断短路电流，切断短路电流时间远小于普通熔断器。线路发生短路故障时，可控硅热积累未达到损坏极限时快速熔断器已切断电源，从而达到保护可控硅元件的目的。

（2）断态电压临界上升率是可控硅在控制极断开条件下使可控硅导通的最低电压上升率。实际应用中可控硅电路在初始送电操作时极易产生过大电压上升率，此时可控硅控制极无任何控制信号也将误导通，造成短路并烧毁元件。通常利用阻容电路两端电压不能突变的特性在每只双向可控硅（电动机回路一般5只）两端并联R-C阻容吸收电路，来限制电压上升率。

（3）采用可控硅开断感应式电动机时，会出现操作过电压。对于电感越大的电动机负载，可控硅断开负载的瞬间操作过电压就越高。在可控硅至电动机之间线路三相相间装设三组阻容（33Ω、0.47 μF）吸收元件，可以有效地限制操作过电压，保护电动机和可控硅绝缘不会击穿损坏。

4 实际应用

本文设计的电路在近期工程中得到应用。阀门控制采用可控硅控制后，响应命令并产生动作的时间由秒级变为毫秒级，速度比机械式继电器控制速度快，能够有效地执行系统指令，保障系统安全。电路保护设计能够有效地保护电动机及可控硅元件绝缘。由于没有机械式继电器的行程动作，投入运行后的阀门控制单元故障率很低。同时该单元具有体积小、无噪音的特点，性能优于采用继电器控制电路。

5 结论

相对于常規交流接触器控制的三相异步电动机电路，可控硅为无触点式开关，无火花可用于防爆场所;无动作部件寿命长、体积小、速度快、运行无噪音;控制信号输入与可控硅输出采用光电耦合更利于安全操作;采用PLC或单片机为核心容易设计出满足各种要求的控制电路。

参考文献

[1] 卓乐友.电力工程电气设计手册（电气二次部分）[M].北京：中国电力出版社，2012.

[2] 许晓峰.电机与拖动[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3] 石生.电路基本分析[M].北京：高等教育出版社，2000.

[4] 继电保护和安全自动装置技术规程：GB/T14285—2006[S].

[5] 陈振春.双向可控硅在电动机控制电路中的应用[J].南昌工程学院学报，2005（2）：17.