具有電壓檢測功能的大功率設備軟啟動器設計

楊鳳彪，禹飛舟，劉 云，閆建生

（1.軍械工程學院 電氣工程系，河北 石家莊 050003；2.軍械工程學院 訓練部裝備處，河北 石家莊 050003；3.河北普興電子科技有限責任公司 綜合管理部，河北 石家莊 050200）

在大功率用電設備中，輸入端電源一般采用AC380V三相交流市電，在設備的整流環節一般采用容量較大的電容器作為濾波、穩壓器件，根據ic=Cduc/dt可知，在設備上電瞬間，由于電容兩端初始電壓為零，而整流輸出電壓較高，必然造成電容電壓的高速變化，引起較大的沖擊電流[1]。對電網而言，較大的沖擊電流可能照成斷路器跳閘，造成停電事故，影響其它共網設備的運行；對于設備本身而言，大的沖擊電流可造成較大的動態電動應力，容易引起內部器件或導線的位移，使連接松動，降低設備的可靠性；如果沖擊電流高于整流器件的最大承受能力，在啟動瞬間就會造成整流器的燒毀，進而引起設備的其它故障，因此，在大功率設備中須采用各種措施限制沖擊電流的大小。此外，在設計大功率電路軟啟動控制器時，往往只注重對沖擊電流的限制，而忽略了交流輸入電壓的影響，輸入電壓正常變化范圍一般限定為AC380V±15%，如果輸入電壓過低或過高，必然會造成大功率設備內部控制器件及電路工作的不穩定，嚴重時還會造成設備故障，因此，在軟啟動控制器中設置輸入電壓檢測電路是非常必要的[2]。

1 軟啟動控制器設計

1.1 軟啟動控制器的結構

具有輸入電壓檢測功能的大功率電路軟啟動器結構原理如圖1所示，根據功能可分為3部分，分別為整流濾波電路、輸入電壓檢測電路、軟啟動電路。

整流濾波電路包括整流橋U1、濾波電容C1、C2，將輸入的三相交流電整流濾波成直流，其中C1、C2的性能參數一致。輸入電壓檢測電路包括電壓互感器UV1、UV2和繼電器K1[3]，輸入的AC380V市電經電壓互感器檢測，如果輸入電壓在限定范圍內，在控制電路的作用下，繼電器K1工作，交流市電加到整流橋U1的輸入端。在輸入電壓檢測電路中，采用兩個電壓互感器，分別接在不同的任意兩相之間，當三相輸入市電出現一相或兩相缺相、三相電壓不平衡等故障，都可以被電壓互感器檢測到，進而影響繼電器K1的動作。軟啟動電路包括繼電器 K2、限流電阻 Rx、采樣電阻 Rs1、Rs2和濾波電阻Cs。整流輸出電壓首先經限流電阻Rx向濾波電容C1、C2充電，經采樣電阻對電容電壓進行采樣，達到限定值后，控制電路驅動繼電器K2工作，將限流電阻Rx短接，系統正常工作。

圖1 具有輸入電壓檢測功能軟啟動控制器結構Fig.1 Structure of soft startup controller that havefunction of voltage detect

1.2 輸入電壓檢測電路

輸入電壓檢測電路如圖2所示，主要由運放Uq及相關器件組成的欠壓檢測電路、由運放Ug及相關器件組成的過壓檢測電路、由三極管D3構成的驅動放大電路3部分組成[4-5]。電阻R3、R4為欠壓檢測電路提供基準信號，輸入到電壓比較器Uq的同相端。電壓互感器UV1的輸出電壓經整流橋U2整流濾波后，輸出平穩的直流電壓UZ1，經電阻R1、R2分壓濾波后加在運放Uq的反相端。

圖2 輸入電壓檢測電Fig.2 Detect circuit of input voltage

輸入電壓在缺相、欠壓等情況下，電壓互感器UV1的輸出端電壓減小，造成運放Uq反相端電壓小于同相端電壓，Uq輸出高電平，使PNP型三極管D3截止，繼電器K1線圈不能得電工作，K1常開觸頭不閉合，如圖1所示，交流輸入電壓不能施加到用電設備。過壓檢測電路的基準電壓由電阻R7、R8提供，輸入到運放Ug的反相端。電壓互感器UV1的輸出電壓經電阻R5、R6加在運放Ug的同相端，如果該電壓高于基準值，運放Ug輸出高電平，使三極管D3截止。如果交流輸入電壓在正常范圍內，則Ug、Uq輸出低電平，三極管D3導通，繼電器K1工作，觸頭閉合后接通設備的交流輸入。

根據上述分析可知，在過壓或欠壓情況下，兩個運放中必然一個輸出高電平，另一個輸出低電平，為了防止運放輸出的高電平將輸出低電平的運放損壞，運放的輸出由二極管D1、D2相隔離，如圖2所示，同時，該電路組成“或”運算電路，保證電壓檢測的可靠度。

1.3 軟啟動控制電路

軟啟動控制電路如圖3所示，根據功能原理，改電路包括由運放Ur及相關器件組成的電壓比較電路、由運放Us及相關器件組成的自鎖環節、由NPN型三極管D6構成的驅動放大電路3部分。電阻R12、R13構成基準信號電路，將基準信號施加到運行Ur的反相端和Us的同相端。當設備交流輸入電源符合范圍要求時，整流輸出電壓Uzd經限流電阻Rx向整流濾波電容C1、C2充電，電壓采樣電阻RS2兩端電壓也隨之升高，當該電壓高于運放Ur反相端電壓時，運放Ur輸出高電平，使三極管D6導通，繼電器K2工作，其常開觸頭閉合，短接限流電阻Rx，整流輸出電壓Uzd直接加在濾波電容C1、C2兩端，實現系統的軟啟動。

軟啟動時間受限流電阻Rx阻值、C1和C2容量的大小限制，阻值、容量越大，電容充電時間越長，系統軟啟動時間相應增加。

圖3 軟啟動控制電路Fig.3 Control circuit of soft startu

在軟啟動過程中是不允許設備有輸出的，因為帶載啟動時，電容C1、C2需要向外輸送能量，由于電阻Rx的限流作用，電容輸出的能量不能夠得到及時補充，其端電壓勢必保持在較低水平，造成運放Ur的輸出端保持低電平，繼電器K2的觸頭不能閉合，限流電阻Rx始終處于高壓降狀態，需要消耗大量電能，嚴重時發生Rx燒爆的故障。因此，在該電路中設置使能輸出信號Ukz，作為設備內部控制電路工作的使能信號，如圖3所示。在軟啟動過程中，Ukz為低電平，設備內部控制電路不工作，設備無輸出。當電容C1、C2端電壓高于設定的閾值時，運放Ur輸出高電平，為了保證繼電器K2可靠閉合后設備內部控制電路才能工作，采用電阻R16和電容C7構成延時環節，使信號Ukz在邏輯上滯后于Ur的高電平輸出。

在設備完成軟啟動并帶載運行時，濾波電容C1、C2的端電壓必然有所降低，在最不利的情況下，如交流輸入電壓達到下限值時，可能會出現運放同相端采樣電壓小于反相端基準電壓的現象，造成繼電器K2線圈斷電，將限流電阻重新串入，這種情況同樣會出現Rx被燒爆的故障。因此，在圖3中設計了自鎖環節，在運放Ur輸出高電平使三極管D6導通后，由于三極管CE極飽和導通壓降只有0.1～0.3 V左右，運放Us的輸出電壓翻轉，變為高電平，保證三極管D6的導通狀態。由于運放Ur、Us構成“或”運算，即使設備帶載運行使電容C1、C2端電壓下降也不會造成繼電器K2的斷電，保證了系統運行的可靠性。

2 軟啟動波形測試

軟啟動過程中電容C1、C2端電壓 （Udc）的波形如圖4所示。初始階段，由于電容初始電壓為零，電阻Rx承受全部電壓，充電電流大，電容電壓上升速度較快。在中后期，由于電容電壓的不斷上升，充電電流逐漸減小，電容電壓上升的速度越來越慢。當電容電壓上升到530 V左右時，繼電器K2工作，電阻Rx被短接，電容電壓跳變，幅度約為50 V，使電容C1、C2端電壓躍變的幅度大大減小，從而限制了沖擊電流。由于整機體積等方面的限制，電容C1、C2的容量不能任意擴充，當設備帶載運行時電壓波形開始下降，并趨于穩定。在穩定運行時，由于電容不斷進行充放電，其端電壓波形出現交流紋波。

圖4 軟啟動電壓波形Fig.4 Curve of voltage while soft startup

3 結束語

文中設計的大功率電路軟啟動器兼備輸入電壓檢測、輸出邏輯控制、運行自鎖等功能，能夠根據電容電壓的變化自動完成軟啟動的控制過程，在輸入電壓較高的情況下也能限制電容電壓躍變的幅值，避免了采用時間繼電器進行軟啟動控制時電容電壓躍變幅值難以控制的缺點[3]。具有電壓檢測功能的大功率電路軟啟動器結構簡單、工作可靠，可廣泛應用于電源輸入端需進行AC/DC變換[7]的大功率設備。

[1]吳玉強.一種用于DC/DC的軟啟動電路[J].中國集成電路，2010（9）：54－58.WU Yu-qiang.A kind of soft startup circuit for DC/DC[J].China Integrated Circuit，2010（9）：54－58.

[2]楊潔.大功率設備軟啟動的方式及優缺點比較[J].科技信息，2011（4）：411.YANG jie.Comparative studies on virtue and fault of soft startup mode in high power equipment[J].Science &Technology Information，2011（4）：411.

[3]楊幫文.新型繼電器實用手冊[M].北京：人民郵電出版社，2004.

[4]岡村迪夫.OP放大電路設計[M].王玲，徐雅珍，李武平，譯.北京：科學出版社，2005.

[5]松井邦彥.OP放大器應用技巧100例[M].鄧學，譯.北京：科學出版社，2006.

[6]硅谷.開關電源軟啟動電路設計[J].硅谷，2011（16）：113.Silicon Valley.The design of soft-start circuit for DC-DC switching regulator[J].Silicon Valley，2011（16）：113.

[7]徐文城，劉堯，王秀榮.基于Buck－Boost電路的寬輸出電壓AC－DC電源設計[J].現代電子技術，2012（12）：192－194.Design of wide output voltage AC-DC power supply based on buck-boost circuit[J].Modern Electronics Technique，2012（12）：192－194.