電力電子學
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電力電子學是研究開關電子電路以控制電能流動的學科。電力電子學是開關電源、電源轉換器、電源逆變器、電機驅動器和電機軟啟動器的技術基礎。
二極體
肖特基二極體
功率雙極結型電晶體
MOSFET
閘流體
可控矽
門極關斷閘流體
絕緣柵雙極型電晶體 (IGBT)
門極換向閘流體
電機和其他大多數 執行器 通常透過一個 功率電晶體 間接連線到電源，該電晶體充當開關，允許能量從電源流向電機或將電機與電源斷開。（CPU 也連線到電晶體，它選擇何時開啟或關閉）。
當開關開啟時，來自電源的大部分功率都會流向電機。不幸的是，一些功率被功率電晶體中不希望存在的寄生電阻所捕獲，導致其發熱。通常需要散熱器來防止電晶體過熱和自毀。幾乎所有現代桌上型電腦或筆記型電腦都需要在 CPU 和顯示卡上使用散熱器。（典型的機器人需要在功率電晶體上使用散熱器，但在其小型 CPU 上不需要）。
“應用筆記 AN533：處理和安裝熱管理注意事項” [2] 描述了“如何為半導體器件計算合適的散熱器”。這似乎適用於所有功率半導體——FET、BJT、Triac、SRC 等。它給出了 DPAK 和 D2PAK 在僅 FR4、FR4 加散熱器、絕緣金屬基板 (IMS) 和 IMS 加散熱器的情況下的熱阻。
這些功率半導體散熱背後的原理與 PC CPU 散熱 的原理相同。
雙向可控矽有 3 個引腳。雙向可控矽的外觀和控制方式與 PNP 功率電晶體非常相似。雙向可控矽可以像繼電器一樣控制電路中的交流電源——它要麼是導通（短路）要麼是斷開（開路）。
開啟雙向可控矽很容易：通常將數字邏輯連線起來，使其 Vdd 連線到雙向可控矽 A1 引腳。一些數字邏輯輸出引腳連線到一個連線到雙向可控矽門極引腳的小電阻。當數字邏輯將門極引腳下拉至低電平（靠近 Vss）時，雙向可控矽觸發並完全導通。
只要雙向可控矽處於導通狀態，A1 和 A2 引腳就會表現得像短路在一起一樣。電流可以雙向流過雙向可控矽——無論 A2 高於 A1 電壓還是低於 A1 電壓。
關閉雙向可控矽有點困難。首先，數字邏輯輸出驅動門極引腳為高電平（因此它與公共 A1 引腳的電壓相同）。但雙向可控矽會一直保持導通狀態，直到流過雙向可控矽的電流下降到保持電流以下。通常，雙向可控矽與 50Hz 或 60Hz 交流電源一起使用，因此數字邏輯試圖關閉雙向可控矽後，雙向可控矽可能會保持導通狀態長達 10 毫秒。
雙向可控矽關閉後，A2 會表現得像與雙向可控矽的其他部分斷開連線並隔離一樣（只要外部電路不會將其驅動到超出其電壓額定值，通常為正負幾百伏）。
驅動雙向可控矽與驅動 PNP 電晶體非常相似——“門極”類似於“基極”，“A1”類似於“發射極”，“A2”類似於“集電極”。
迄今為止，最常用的控制連線到市電的交流負載的矽器件是雙向可控矽。[1] 當控制交流電源時，雙向可控矽比 BJT 或 FET 電晶體作為開關工作得更好。當 A2 可以相對於 A1 和門極上下波動數百伏時，雙向可控矽可以保持斷開狀態。很難防止 BJT 或 FET 電晶體在“反向”方向上自發導通。
當控制直流電源時，PNP 電晶體比雙向可控矽作為開關工作得更好。即使有電流流過 PNP 電晶體，它也可以快速關閉。當直流電流流過雙向可控矽時，它會無限期地保持導通狀態。
“無續流雙向可控矽”或“邏輯電平雙向可控矽”不會在 A2 導線處於負電壓（相對於 A1）的情況下透過正門極電流導通，但它們會在 A2 導線處於正電壓的情況下透過正門極電流導通。[2] 一些“標準”雙向可控矽會透過正門極電流（類似於功率 NPN 電晶體）導通，無論 A2 是正還是負，但這種“正門極電流觸發”不建議使用。“負門極電流觸發”是首選。[3][4]
交流-直流轉換器（整流器）
直流-交流轉換器（逆變器）
直流-直流轉換器（斬波器）
交流-交流轉換器（環流變頻器）
軟啟動器[5]
在工業應用中，幾乎所有東西都使用電機，事實上，電機可能佔我們國家能源消耗的 80%。通常有三種不同的方法來啟動電機：全電壓、降壓和逆變器。全電壓、全壓或直接線上 (DOL) 啟動使用接觸器，接觸器是一種重型三相繼電器。降壓啟動可以通過幾種不同的方式實現：自耦變壓器、星形-三角形、初級電阻器/電抗器或使用固態軟啟動器。逆變器通常稱為驅動器。本文重點介紹固態軟啟動器（從這裡開始僅稱為軟啟動器）：它們是什麼，為什麼要使用它們，它們的構造和應用。
軟啟動器是一種固態電機啟動器，用於透過對電壓波形進行分級控制來啟動或停止電機，從而降低電機各相的電壓，並逐漸提高電壓，直到電機以固定頻率達到全電壓/全速。電壓上升的曲線取決於應用。電壓由 3 對背靠背的矽控整流器 (SCR)（圖 1）控制和降低，SCR 是一種高速閘流體。軟啟動器可以替代接觸器，也可以在標準電機啟動應用中替代過載繼電器。圖 1 演示了軟啟動器控制從三相電源連線的星形或三角形連線電機的配置。
圖 1：標準軟啟動器拓撲
通常，使用軟啟動器有兩個原因：配電網路可能無法承受電機的湧入電流，或者負載無法承受高啟動轉矩。作為經驗法則，電機啟動時會使用其額定負載電流 (FLA) 的 600% 到 800%。這種電流稱為湧入電流或堵轉電流。一些系統在通電時會短暫地吸收正常執行電流的 50 倍。[6] 如果大型電機連線在較小的配電網路或發電機系統上，這種湧入電流會導致系統電壓下降或“電壓驟降”。電壓驟降會導致連線到系統的其他裝置出現問題，例如計算機、燈具、電機和其他負載。另一個問題是系統可能無法啟動電機，因為它無法提供或供應足夠的電流。大多數工業企業在白天運營，如果因為大馬力 (HP) 電機啟動導致出現大的瞬態，會在高峰使用時間被處以罰款或額外收費（峰值需求費）。這些峰值需求費會很快累積起來，特別是如果電機在任何一天需要啟動多次。湧入電流可以透過軟啟動器以兩種方式之一進行控制：要麼透過電流限制（稍後討論），要麼透過降低的電壓線性減少，並遵循此近似值
像傳送帶這樣的應用可能無法承受跨線啟動帶來的突然轉矩衝擊。使用軟啟動器可以降低電機轉矩，減少皮帶、傳送帶、齒輪、鏈條和齒輪箱的磨損。轉矩隨著電壓的平方而減小，並遵循此近似值
由於軟啟動器通常由微處理器控制和監控，因此可以很容易地在軟啟動器中新增許多功能和保護功能。它可以提供啟動時間選擇、有限的速度控制和節能功能。可以使用電流互感器、電壓表和內部時鐘實現功率監控，例如三相電流、三相電壓、功率、功耗、功率因數和電機熱容量使用情況。透過上述實現，還可以透過停止 SCR 的觸發、使旁路接觸器斷開（接觸器在電機達到速度後承載電機負載）和/或透過微處理器和另一臺計算機之間的某種通訊方式向用戶發出警報來提供對以下列出專案的電機或軟啟動器的保護（表 1）。
軟啟動器可以提供的可能保護
- SCR 開路柵極
- 相位不平衡
- 電源丟失
- 欠壓
- 過熱
- 卡死
- 欠載
- 相序反接
- 過載
- 過壓
- 停轉
- 過多的啟動次數/小時
- 線路損耗
- 接地故障
- 旁路故障
通常，軟啟動器採用三對反向並聯連線的 SCR，以允許電流流向電機或從電機流出。軟啟動器可以透過控制一相或兩相來製造，但這篇論文將重點介紹最普遍的實現方式，即三相控制。軟啟動器的每一相都可以透過反向並聯連線的 SCR 對（圖 2）、反向並聯連線的 SCR/二極體對（圖 3）或可控矽（圖 4）來控制，具體取決於成本和/或質量。工業中最普遍的開關可能是 SCR 對，也是本文的重點。軟啟動器幾乎專門用於啟動和停止，而不是在執行期間使用，因為 SCR 上的壓降會導致其產生熱量損失。
圖 2：SCR 對
圖 3：SCR/二極體對
圖 4：可控矽
標準軟啟動器元件使用每相一個 SCR 對，一旦電壓達到全電壓的 1.1V（取決於 SCR 上的壓降），與 SCR 對並聯的旁路接觸器（在軟啟動器內部或外部）就會接通（圖 5）。一旦接通，SCR 就會停止觸發。通常，旁路接觸器的尺寸要比全電壓啟動所需的接觸器小得多，因為接觸器只需要能夠承載電機的額定負載電流。由於機械觸點無法承受湧入電流，因此必須正確選擇 SCR 的尺寸以承受電機的堵轉電流。
圖 5：帶旁路接觸器的標準軟啟動器拓撲
從 SCR 到旁路的轉換也應該在接近全速的情況下進行，以最大限度地減少電流跳變（圖 6）。圖 7 顯示了低速轉換；轉換時會在接近堵轉電流或啟動電流時發生電流跳變，從而削弱了軟啟動器的作用。
圖 6：接近全速轉換 [7]
圖 7：低速轉換 [7]
軟啟動器透過“分級”施加的正弦波形來降低電壓，其模擬圖可以在圖 8 到 13 中看到。分級是中波形中零電壓區域的非技術術語，如圖 9 所示。圖 9 還顯示了綠色中的正向觸發 SCR 脈衝和藍色中的反向觸發脈衝，以對輸出電壓進行分級控制。圖 10 到 13 顯示了從 90º 觸發角到 30º 的演變過程。隨著分級尺寸的減小，Vrms 和 Irms 都會增加。由使用者確定的初始電壓透過根據軟啟動器的預設曲線變化觸發角來逐步提高到全電壓。軟啟動器可以透過開環控制或閉環控制來控制。
圖 8：單相模擬
圖 9：單相模擬（90º 觸發角、電壓和電流）
圖 10：90º ~ 341Vrms
圖 11：70º ~ 405Vrms
圖 12：50º ~ 452Vrms
圖 13：30º ~ 469Vrms
開環控制的一個例子是電壓斜坡（圖 14），電壓以線性方式從初始電壓上升到全電壓，而不考慮負載。泵啟動是另一種形式的開環控制。泵啟動器的觸發電路以允許速度/轉矩以更有效的方式上升的曲線（圖 15）來提高電壓，並有助於防止水錘現象，水錘現象是泵應用中常見的問題。圖 14 到 15 還顯示了軟停止的示例。像電流限制（圖 16）這樣的應用使用來自電機或線路電流/電壓的反饋來根據需要改變 SCR 的觸發角，因此是閉環控制。所有列出的控制方案都監控電機的反電動勢，以免變得不穩定。
圖 14：電壓斜坡 [7]
圖 15：泵啟動 [7]
圖 16：電流限制 [7]
透過新增兩對額外的 SCR 對來切換兩個相位，可以將軟啟動器用於反轉應用。例如，線路相位“b”連線到負載相位“c”，反之亦然。如圖 17 所示，L2（“b”）連線到 T3（“c”），而 L3（“c”）連線到 T2（“b”）。三角形配置的電機也可以用軟啟動器控制（如圖 18 所示），但其電流將高於線路連線的電機。為了解決較大的電流切換問題，可以將軟啟動器連線到“三角形內部”，如圖 19 所示。這種配置將允許軟啟動器控制比線路連線的電機更大的電機，並能達到 √3 倍的優勢。例如，“三角形內部”的軟啟動器可以切換 277A 負載，而線路連線的軟啟動器需要能夠切換 480A 來控制相同額定值的電機負載。 “三角形內部”的缺點是它需要從電機引出六根線，這對於大馬力電機來說可能會增加成本。
圖 17：反向軟啟動器拓撲結構
圖 18：三角形軟啟動器拓撲結構
圖 19："三角形內部" 拓撲結構
以上是一些軟啟動器應用的物理變體。相反，快速啟動和低速斜坡是一些可以透過不同的 SCR 點火角程式設計來實現的其他應用。
高慣性負載特性
[edit | edit source]以下是不同軟啟動器在高慣性負載應用中模擬的計算結果。表 2 包含了模擬的電機特性。圖 20-21 顯示了與鎖轉電流 LRA 為 FLA 的 600% 且鎖轉轉矩 LRT 或啟動轉矩為滿載轉矩的 180% 的電機相比的普通全壓啟動。有關 %電流 & % 轉矩與速度曲線的解釋，請參見附錄圖 35。表 2：模擬電機電機資訊負載資訊電機型別 NEMA B 負載型別高慣性額定功率 200 負載慣性 36000 額定速度 1750 負載速度 605 頻率 60 %負載係數 80%
- 極數 4 電機慣性 100
LRA % 600% %效率損失 30% LRT% 180%
電機必須選擇合適的尺寸，以確保其轉矩相對於負載足夠大，否則電機將無法啟動，無論啟動器的型別如何。
圖 20：全壓啟動 [8]
圖 21：全壓啟動 [8]
如圖 22 所示，啟動電流從 600% 降低到大約 400%，初始啟動轉矩設定為 50%。對於這種電機應用，初始轉矩不能低於負載轉矩，否則可能會發生停轉（稍後討論）。
圖 22：軟啟動電機啟動特性 [8]
在電流限制啟動（圖 23）中，電流限制在指定的值，在本例中為 FLA 的 450%。電流可以限制的最低水平取決於電機轉矩。同樣，在設定電流限制時需要注意，確保電機轉矩不會低於負載轉矩，以避免停轉情況。
圖 23：電流限制電機啟動特性 [8] 高慣性負載速度特性 圖 24-25 用於與直接啟動進行比較。
圖 24：軟啟動 [8]
圖 25：電流限制啟動 [8]
高慣性停轉情況
[edit | edit source]停轉發生在電機轉矩無法超過負載轉矩，電機無法旋轉時。當這種情況發生時，電機將比 FLA 吸收更多的電流以試圖旋轉負載，這再次違背了軟啟動器的目的。如果電機轉矩低於負載轉矩，則可能會發生電機停轉；對於高慣性負載，啟動負載轉矩相當高，並且保持相對較高。圖 26-27 顯示了軟啟動或電流限制啟動可能發生的停轉情況（用箭頭突出顯示）。圖 26-27 和 32 可能略微誤導，因為一旦電機停轉，速度將不再增加。
軟啟動器設定啟動型別軟啟動初始轉矩 % 40%
圖 26：軟啟動停轉 [8] 軟啟動器設定啟動型別電流限制初始電流% 300%
圖 27：電流限制停轉 [8]
泵應用負載特性
[edit | edit source]泵應用模擬使用與之前的高慣性應用相同的電機特性，但連線到泵上。泵負載從幾乎沒有負載轉矩開始，並隨著速度的增加而增加。圖 28 中的紅線顯示了負載轉矩。電機資訊負載資訊電機型別 NEMA B 負載型別泵額定功率 200 負載慣性 36000 額定速度 1500 負載速度 605 頻率 60 %負載係數 80%
- 極數 4 電機慣性 100
LRA % 600% %效率損失 30% LRT% 180%
電機轉矩越接近泵的轉矩，且不低於泵的轉矩，則節能的潛力就越大。由於幾乎沒有啟動負載轉矩，軟啟動可以設定得比高慣性負載低得多。圖 28 設定為鎖轉轉矩的 2%。
圖 28：泵軟啟動 [8]
使用這種應用的電流限制啟動，電機轉矩比上面的軟啟動（用箭頭突出顯示）更靠近負載轉矩（用箭頭突出顯示），從而可以實現更多的節能。圖 29 設定為鎖轉轉矩的 225%。
圖 29：泵電流限制 [8]
泵應用速度特性 圖 30-31 是用於與直接啟動進行比較的速度與時間曲線。
圖 30：軟啟動 [8]
圖 31：電流限制 [8]
泵應用停轉情況
[edit | edit source]對於泵應用，幾乎沒有啟動轉矩，軟啟動選項幾乎不會出現故障。然而，電流限制在其啟動曲線中存在固有的下降，因此，必須注意避免停轉情況。圖 32 的電流限制設定為 FLA 的 200%，電機在達到其全速的約 50% 時開始停轉（用箭頭突出顯示）。
圖 32：泵停轉 [8]
結論
[edit | edit source]軟啟動器是一種通用的啟動器，可以採取多種形式，並用於啟動許多不同的應用。除了保護皮帶輸送機和鋸木廠等應用外，它還可以透過降低啟動電流和啟動轉矩來幫助節省大量能源，並有助於阻止許多對電機有害的情況。附錄
圖 33：快速啟動曲線 [7]
圖 34：低速和低速反向曲線 [8]
圖 35：速度/電流與轉矩曲線解釋 [9]
其他軟啟動器
[edit | edit source]軟啟動電路在許多應用中都有用，即使是那些不使用電機的應用。
例如，當簡單的開關穩壓器第一次連線到簡單的太陽能陣列時，陣列電壓會下降，導致穩壓器吸收更多電流，導致陣列電壓進一步下降，導致穩壓器吸收更多電流，等等。結果是“電壓崩潰”，系統鎖定在不希望的狀態。 [10] [11]
style="text-align:center;" | Soft-start circuits are one solution to this latchup problem.
參考文獻
[edit | edit source]- ↑ ST 應用筆記 AN3169："三端雙向開關器件在快速瞬態電壓下的效能比較"
- ↑ ST 應用筆記 AN3168: "非隔離式 SCR/三端雙向開關器件控制電路"："無浪湧抑制或邏輯電平三端雙向開關器件...無法在 Q4 中觸發。...負電源...拓撲結構是首選。控制電路從門極吸收門極電流。然後器件在 Q2 和 Q3 象限中工作。"
- ↑ NXP 應用筆記："閘流體和三端雙向開關器件 - 在您的應用中取得成功的十條黃金法則"
- ↑ ST 應用筆記 AN307: "三端雙向開關器件在感應負載上的使用"："由直流控制門極可以保證理想的觸發，但缺點是功耗高，特別是在控制電源由市電提供的情況下。在這種情況下，最好使用負電流控制門極（象限 II 和 III）。"
- ↑ "軟啟動器" http://pages.google.com/edit/jszagorski/EE572_revFinal.pdf
- ↑ Rod Elliott. "湧流抑制". 2010. [1]
- ↑ 艾倫-布拉德利公司，“公告 150 應用和產品指南”，1998 年 9 月。
- ↑ 艾倫-布拉德利公司，“公告 150 應用和產品指南”，1998 年 9 月。
- ↑ 艾倫-布拉德利公司，“公告 150 應用和產品指南”，1998 年 9 月。
- ↑ Jerrold Foutz. "太陽能電池陣電源系統電池鎖定". 1996 - 2003.
- ↑ "簡單的軟啟動電路提供較長的啟動時間". 電子設計. 1998.
- [1] Larabee, J.，Pellegrino, B.，Flick, B.，“感應電機啟動方法和問題”，IEEE PCIC-2005-24。
- [2] Lukitsch, W.J.，“軟啟動與交流變頻器 - 瞭解差異”，IEEE 年紡織、纖維和薄膜工業技術會議論文集，亞特蘭大，佐治亞州，1999 年 5 月，第 1-5 頁。
- [3] McElveen, R.F.，Toney, M.K.，“啟動高慣性負載”，IEEE 工業應用學報，第 17 卷，第 1 期，2001 年 1 月/2 月
- [4] 未知，“感應電機的軟啟動器”，2002 年，http://www.lmphotonics.com/sstart.htm
- [5] Allen, J.P.C.，“立即啟動：對降壓交流電機啟動器的回顧”，IEEE 年紡織、纖維和薄膜工業技術會議論文集，夏洛特，北卡羅來納州，1992 年 5 月，第 1-10 頁。
- [6] Mungenast, J.，“固態交流電機啟動器的設計和應用”，IEEE 工業應用學報，第 IA-12 卷，第 1 期，1976 年 1 月/2 月，第 39-42 頁。
