0 引言

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國在冶金、化工、輕紡等領(lǐng)域風(fēng)機(jī)、水泵等電機(jī)約5000萬臺(tái)，年耗電量占全國發(fā)電量的1／3以上，在這些電機(jī)中，高電壓大容量電機(jī)耗電量占80％以上。在直接啟動(dòng)方式下，啟動(dòng)電流是額定電流的4～8倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的0.5～1.5倍。這些特點(diǎn)使得電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)的能力下降，容易發(fā)生過載損壞。同時(shí)過大的啟動(dòng)電流也會(huì)給供電電網(wǎng)帶來很大的電流沖擊，導(dǎo)致電網(wǎng)的供電質(zhì)量下降，影響電網(wǎng)的其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，為提高電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量，經(jīng)常采用軟啟動(dòng)器裝置來改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。目前，國內(nèi)外已有少數(shù)的幾種產(chǎn)品問世，但價(jià)格昂貴，很難推廣。基于PLC的液態(tài)軟啟動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，操作方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，因投資少、性能好，在性價(jià)比方面具有非常大的優(yōu)勢，適合國情，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益十分硅著，值得推廣應(yīng)用。本文在液阻軟啟動(dòng)裝置設(shè)計(jì)中，將液阻阻值分段線性化，使軟啟動(dòng)過程更加符合實(shí)際電阻的變化，軟啟動(dòng)效果更好。

1 液態(tài)電阻軟啟動(dòng)器的工作原理及特點(diǎn)

　　1.1 工作原理及特點(diǎn)

　　基于PLC的液態(tài)軟啟動(dòng)適用額定電壓為3～10kV，50Hz，功率為100～16000kw的同步或異步鼠籠式(繞線式)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)。在被控電動(dòng)機(jī)的定子阿路中串入一液體電阻，電阻值的可變性是靠改變兩極板之間的距離實(shí)現(xiàn)的。該電阻隨著電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)而自動(dòng)投入，并在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)無級(jí)變化并切除，從而使電動(dòng)機(jī)接近額定電流和最大轉(zhuǎn)矩的情況下均勻升速，平穩(wěn)啟動(dòng)。該液體變阻啟動(dòng)裝置的液阻和啟動(dòng)時(shí)間可按工況隨機(jī)調(diào)整。該裝置可將啟動(dòng)電流限制在(1.5～3.5)L范圍內(nèi)(I，是額定電流)，可連續(xù)啟動(dòng)三次。該裝置采用PLC控制，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行可靠。同時(shí)，可附加啟動(dòng)曲線輸出、儲(chǔ)存及遠(yuǎn)程通信等功能。將液體電阻串入定子側(cè)的方法本質(zhì)上屬于降壓啟動(dòng)，它是以損失部分啟動(dòng)力矩為代價(jià)的；但對(duì)于非恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(如風(fēng)機(jī))或輕載啟動(dòng)的大功率高壓電動(dòng)機(jī)來說，在電網(wǎng)容量不是足夠大或是瞬時(shí)對(duì)拖動(dòng)設(shè)備沖擊大時(shí)卻是非常有效的解決辦法之一，而且不會(huì)產(chǎn)生諧波影響。液體電阻配置也比較簡單，為清潔自來水加電解液即可。

　　一般情況下，動(dòng)極板只是勻速運(yùn)動(dòng)，接近靜極板，從而改變液阻值的大小。其恒流啟動(dòng)特性曲線示意圖如圖1所示。

　其中，I_e為電機(jī)額定工作電流；r為液態(tài)啟動(dòng)電阻的電阻值。在一般的恒流軟啟動(dòng)裝置中，忽略液態(tài)電阻的非線性變化，只認(rèn)為此電阻只按某一個(gè)斜率線性變化減少，從而極板的勻速運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于阻值是線性變化的，這與實(shí)際情況有所不同。其啟動(dòng)電阻是非線性變化的。本設(shè)計(jì)的改進(jìn)思想就是將該啟動(dòng)電阻的非線性分段線性化，這樣就更接近實(shí)際的電阻變化狀態(tài)。如圖2所示。

　　將此液態(tài)啟動(dòng)電阻分段線性化為三段，在0～t₁時(shí)刻，液態(tài)電阻值從最大液阻值r變小到0.8r；在t2～t3如時(shí)刻，液態(tài)電阻值從0.8r變小到0.5r；在t₂～t₃時(shí)刻，液態(tài)電阻值從0.5r變小到0，從而切除液阻。將此液阻的非線性變化分三段，并使每段的阻值都以一個(gè)固定的斜率變化，每段的阻值線性變化，動(dòng)極板都以一個(gè)對(duì)應(yīng)的勻速運(yùn)動(dòng)速度與之對(duì)應(yīng)。也就是說，在三個(gè)阻值線性變化的不同區(qū)間內(nèi)，動(dòng)極板就以三個(gè)不同的速度與之對(duì)應(yīng)。阻值變化斜率小的時(shí)間段內(nèi)，與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)速度就慢；反之，阻值變化斜率大的時(shí)問段內(nèi)，與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)極板運(yùn)動(dòng)速度就快。通過設(shè)置三個(gè)時(shí)間段內(nèi)動(dòng)極板的不同運(yùn)動(dòng)速度改變液態(tài)啟動(dòng)電阻阻值，使整個(gè)控制液態(tài)阻值的變化過程更接近實(shí)際恒流啟動(dòng)時(shí)液阻的變化過程，控制效果更理想。

　　當(dāng)用戶設(shè)定啟動(dòng)電流、啟動(dòng)時(shí)間后，通過在該系統(tǒng)上位機(jī)中的仿真結(jié)果及相關(guān)實(shí)際啟動(dòng)數(shù)據(jù)，裝置自動(dòng)完成液態(tài)電阻動(dòng)態(tài)變化的計(jì)算及物理實(shí)現(xiàn)。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

　　該系統(tǒng)的構(gòu)成。主要由液體電阻箱、電極、傳動(dòng)裝置、控制電路、柜體等組成。傳動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、升降架等機(jī)構(gòu)組成，用以牽引動(dòng)極板做垂直運(yùn)動(dòng)。起改變阻值的作用。在定子回路中串入三相液態(tài)電阻。液體電阻箱由三個(gè)相互絕緣的電液箱構(gòu)成，內(nèi)部盛有電液的一組相對(duì)應(yīng)導(dǎo)電極板，其中一動(dòng)一靜，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制升降架升降從而使與升降架連接的動(dòng)極板組動(dòng)作、運(yùn)行。

　　起動(dòng)時(shí)，液體電阻串接于電機(jī)定子同路中，降低了電機(jī)的起動(dòng)電壓，使電機(jī)在3倍額定電流強(qiáng)度下起動(dòng)。起動(dòng)開始后，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)使動(dòng)極板向靜極板做垂直方向的接近運(yùn)動(dòng)，按一定的控制程序逐步減小阻值(阻值大小由極板間的距離決定，動(dòng)極板按照程序設(shè)定好的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)于在各個(gè)分段內(nèi)阻值的變化快慢)，使定子電壓由低到高逐步上升。可使電機(jī)在限定的電流范圍內(nèi)平滑起動(dòng)。當(dāng)阻值幾乎變化到“0”時(shí)，電機(jī)電壓也升到額定值，電機(jī)轉(zhuǎn)速亦到達(dá)額定值，液阻被切除，軟起動(dòng)過程完畢。

　1.3 液態(tài)軟啟動(dòng)器技術(shù)特點(diǎn)

　　該啟動(dòng)裝置的技術(shù)特點(diǎn)：一是通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使串聯(lián)在電機(jī)定子同路中的液體電阻均勻減小，啟動(dòng)過程完成后液體電阻自動(dòng)切除，能保證電動(dòng)機(jī)平滑無沖擊的啟動(dòng)特性，啟動(dòng)電流能控制在3倍額定電流以內(nèi)；二是液態(tài)電阻的阻值靠改變液體中導(dǎo)電質(zhì)的濃度來改變本身的電阻率，其可調(diào)整范圍理論上很大，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染；三是該裝置具有上位機(jī)系統(tǒng)，由用戶設(shè)定啟動(dòng)電流、啟動(dòng)時(shí)間，裝置可自動(dòng)完成液態(tài)電阻動(dòng)態(tài)變化的計(jì)算及物理實(shí)現(xiàn)。

　　與傳統(tǒng)啟動(dòng)方式相比較有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)無沖擊電流，降低啟動(dòng)機(jī)械應(yīng)力，減少對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊，延長設(shè)備使用壽命；

　　(2)運(yùn)用仿真軟件可對(duì)電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)設(shè)備的啟動(dòng)全過程模擬仿真，具有可預(yù)測性的特點(diǎn)；

　　(3)可靠性高，并具有檢測液體電阻液位、液溫，報(bào)警提示等功能；

　　(4)具有節(jié)能特性，隨著電機(jī)負(fù)載的變化軟啟動(dòng)器自適應(yīng)調(diào)整電機(jī)電壓，使電機(jī)運(yùn)行效率高，節(jié)能效果顯著；

　　(5)控制回路采用PLC控制。該裝置控制回路采用西門子S7—200可編程邏輯控制器，主要對(duì)動(dòng)極板的運(yùn)行進(jìn)行控制．并監(jiān)測啟動(dòng)過程中液阻及電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。主要程序模塊有：邏輯操作、溫度控制、通訊、軟件濾波、PID算法、故障檢測與報(bào)警等模塊。其功能有：極板的復(fù)位、極板起動(dòng)時(shí)的運(yùn)行、設(shè)備運(yùn)行狀況的顯示、根據(jù)反饋信號(hào)判斷是否有故障，起動(dòng)成功與否等等。設(shè)有人機(jī)對(duì)話接口，可方便地調(diào)整內(nèi)置參數(shù)，依據(jù)電機(jī)的起動(dòng)特性，通過參數(shù)調(diào)整，得到較理想的起動(dòng)效果。

　　1.4 控制原理

　　系統(tǒng)軟啟動(dòng)控制原理。在電動(dòng)機(jī)的定子回路中串入電液變阻裝置的三相電阻，QF1為主電機(jī)運(yùn)行斷路器，QF2為星點(diǎn)短接斷路器，SR為電解液變阻器，QS2為隔離開關(guān)。QYJ為勵(lì)磁裝置投全壓繼電器的常開接點(diǎn)，KA1為PLC控制星點(diǎn)閉合中間繼電器的接點(diǎn)，KA3為PLC故障跳閘出口控制星點(diǎn)斷開中間繼電器的接點(diǎn)，K1為防跳繼電器，H為星點(diǎn)柜合閘線圈，F(xiàn)為星點(diǎn)柜跳閘線圈，R1為1歐姆／25W電阻，3TA，4TA為電流互感器，SB6，SB7為手動(dòng)星點(diǎn)柜閉合、跳開按鈕，HL9。HLl0為星點(diǎn)柜斷開、星點(diǎn)柜閉合指示燈，F(xiàn)U1，F(xiàn)U2熔斷器，電解液變阻器是由3個(gè)相互絕緣電解箱組成，內(nèi)部分別盛有電液及一組相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)電極板，通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及伺服系統(tǒng)控制動(dòng)極板運(yùn)行，伺服系統(tǒng)受控于PLC，PLC系統(tǒng)利用內(nèi)部計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)啟動(dòng)過程進(jìn)行控制，啟動(dòng)開始根據(jù)電機(jī)電流大小自動(dòng)的調(diào)整液阻值(動(dòng)極板的開始位置)，通過程序的編寫，可以使動(dòng)極板在3個(gè)時(shí)間段內(nèi)以不同的速度勻速運(yùn)動(dòng)，更接近實(shí)際液阻的變化。使整個(gè)啟動(dòng)過程在較小的啟動(dòng)電流下，均勻升速而液阻無級(jí)切換，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。

　　1.5 液體電阻的配制

　　先將活動(dòng)極板移動(dòng)到啟動(dòng)位置，用清水沖人箱體規(guī)定液位線以下20mm處，將電液粉用溫水溶鋸后分別注入3個(gè)液體電阻箱內(nèi)，使液體濃度在3％左右。將活動(dòng)極板升降數(shù)次，使液體攪拌均勻，然后將極板復(fù)位。利用“伏安法”測量任意一個(gè)液阻箱內(nèi)動(dòng)靜兩電極之間的電阻值R即可。

　　1.6 液體電阻的測量

　　將液體電阻的活動(dòng)極板移動(dòng)到啟動(dòng)位置，測量任意一個(gè)液阻箱內(nèi)動(dòng)靜兩電極間的電壓差及電流大小，液態(tài)電阻R=VH，測量回路如圖5所示。

2 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真

　　選擇一臺(tái)三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算。該電機(jī)參數(shù)為：額定功率110kW，定子電阻0.0215512，定子電抗0.000226Q，轉(zhuǎn)子電阻0.02155Q，轉(zhuǎn)子電抗0.000226fl，勵(lì)磁電抗0.01038Q，極對(duì)數(shù)為2，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2.3kg·mz，摩擦系數(shù)0.05421N·m·s。

　　電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)經(jīng)計(jì)算，液態(tài)阻值的初始最大值為0.37Q。當(dāng)以該阻值為初始值不分段線性化啟動(dòng)時(shí)，將液態(tài)電阻分段線性化后，根據(jù)以上仿真研究可以看出，電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)其電流達(dá)到額定電流的7倍之多，達(dá)到1500A，啟動(dòng)時(shí)間為0.9s；當(dāng)接入液阻啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流是530A，啟動(dòng)時(shí)間為25.5s；將液阻分段線性化之后，啟動(dòng)電流為500A左右，啟動(dòng)時(shí)間縮短到20s。

3 結(jié)束語

　　目前，本設(shè)計(jì)已在西安某公司得到良好實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用。從國內(nèi)高電壓大功率電機(jī)的起動(dòng)控制市場來看，由于該液態(tài)軟啟動(dòng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，使用及維修方便，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，啟動(dòng)電流可按工藝工況隨機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)整、啟動(dòng)設(shè)備平穩(wěn)無沖擊、啟動(dòng)電流平滑等特點(diǎn)，基于PLC控制的液阻軟起動(dòng)已成為主流方向，將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。特別是根據(jù)液阻的變化規(guī)律控制動(dòng)極板分段勻速運(yùn)動(dòng)，將液阻值分段線性化后，啟動(dòng)方案與串液阻實(shí)際啟動(dòng)更貼近，使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能更好，更有效率