0 引言

　　據(jù)統(tǒng)計，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，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。在直接啟動方式下，啟動電流是額定電流的4～8倍，啟動轉(zhuǎn)矩是額定轉(zhuǎn)矩的0.5～1.5倍。這些特點使得電動機(jī)帶負(fù)載啟動的能力下降，容易發(fā)生過載損壞。同時過大的啟動電流也會給供電電網(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)備的正常運行。因此，為提高電動機(jī)與電網(wǎng)的運行質(zhì)量，經(jīng)常采用軟啟動器裝置來改善電動機(jī)的啟動性能。目前，國內(nèi)外已有少數(shù)的幾種產(chǎn)品問世，但價格昂貴，很難推廣。基于PLC的液態(tài)軟啟動系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，操作方便，運行穩(wěn)定可靠，因投資少、性能好，在性價比方面具有非常大的優(yōu)勢，適合國情，經(jīng)濟(jì)效益、社會效益十分硅著，值得推廣應(yīng)用。本文在液阻軟啟動裝置設(shè)計中，將液阻阻值分段線性化，使軟啟動過程更加符合實際電阻的變化，軟啟動效果更好。

1 液態(tài)電阻軟啟動器的工作原理及特點

　　1.1 工作原理及特點

　　基于PLC的液態(tài)軟啟動適用額定電壓為3～10kV，50Hz，功率為100～16000kw的同步或異步鼠籠式(繞線式)電動機(jī)的軟啟動。在被控電動機(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現(xiàn)的。該電阻隨著電動機(jī)的啟動而自動投入，并在預(yù)定的時間內(nèi)自動無級變化并切除，從而使電動機(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。該液體變阻啟動裝置的液阻和啟動時間可按工況隨機(jī)調(diào)整。該裝置可將啟動電流限制在(1.5～3.5)L范圍內(nèi)(I，是額定電流)，可連續(xù)啟動三次。該裝置采用PLC控制，自動化程度高，運行可靠。同時，可附加啟動曲線輸出、儲存及遠(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，它是以損失部分啟動力矩為代價的；但對于非恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載(如風(fēng)機(jī))或輕載啟動的大功率高壓電動機(jī)來說，在電網(wǎng)容量不是足夠大或是瞬時對拖動設(shè)備沖擊大時卻是非常有效的解決辦法之一，而且不會產(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，動極板只是勻速運動，接近靜極板，從而改變液阻值的大小。其恒流啟動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)啟動電阻的電阻值。在一般的恒流軟啟動裝置中，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斜率線性變化減少，從而極板的勻速運動對應(yīng)于阻值是線性變化的，這與實際情況有所不同。其啟動電阻是非線性變化的。本設(shè)計的改進(jìn)思想就是將該啟動電阻的非線性分段線性化，這樣就更接近實際的電阻變化狀態(tài)。如圖2所示。

　　將此液態(tài)啟動電阻分段線性化為三段，在0～t₁時刻，液態(tài)電阻值從最大液阻值r變小到0.8r；在t2～t3如時刻，液態(tài)電阻值從0.8r變小到0.5r；在t₂～t₃時刻，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固定的斜率變化，每段的阻值線性變化，動極板都以一個對應(yīng)的勻速運動速度與之對應(yīng)。也就是說，在三個阻值線性變化的不同區(qū)間內(nèi)，動極板就以三個不同的速度與之對應(yīng)。阻值變化斜率小的時間段內(nèi)，與之對應(yīng)的動極板運動速度就慢；反之，阻值變化斜率大的時問段內(nèi)，與之對應(yīng)的動極板運動速度就快。通過設(shè)置三個時間段內(nèi)動極板的不同運動速度改變液態(tài)啟動電阻阻值，使整個控制液態(tài)阻值的變化過程更接近實際恒流啟動時液阻的變化過程，控制效果更理想。

　　當(dāng)用戶設(shè)定啟動電流、啟動時間后，通過在該系統(tǒng)上位機(jī)中的仿真結(jié)果及相關(guān)實際啟動數(shù)據(jù)，裝置自動完成液態(tài)電阻動態(tài)變化的計算及物理實現(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、傳動裝置、控制電路、柜體等組成。傳動裝置由驅(qū)動電機(jī)、升降架等機(jī)構(gòu)組成，用以牽引動極板做垂直運動。起改變阻值的作用。在定子回路中串入三相液態(tài)電阻。液體電阻箱由三個相互絕緣的電液箱構(gòu)成，內(nèi)部盛有電液的一組相對應(yīng)導(dǎo)電極板，其中一動一靜，通過驅(qū)動電機(jī)控制升降架升降從而使與升降架連接的動極板組動作、運行。

　　起動時，液體電阻串接于電機(jī)定子同路中，降低了電機(jī)的起動電壓，使電機(jī)在3倍額定電流強(qiáng)度下起動。起動開始后，由驅(qū)動電機(jī)驅(qū)使動極板向靜極板做垂直方向的接近運動，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，動極板按照程序設(shè)定好的運動速度運動，對應(yīng)于在各個分段內(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。當(dāng)阻值幾乎變化到“0”時，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，軟起動過程完畢。

　1.3 液態(tài)軟啟動器技術(shù)特點

　　該啟動裝置的技術(shù)特點：一是通過傳動機(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，啟動過程完成后液體電阻自動切除，能保證電動機(jī)平滑無沖擊的啟動特性，啟動電流能控制在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，不會對電網(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)定啟動電流、啟動時間，裝置可自動完成液態(tài)電阻動態(tài)變化的計算及物理實現(xiàn)。

　　與傳統(tǒng)啟動方式相比較有以下優(yōu)點：

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

　　(2)運用仿真軟件可對電動機(jī)及其拖動設(shè)備的啟動全過程模擬仿真，具有可預(yù)測性的特點；

　　(3)可靠性高，并具有檢測液體電阻液位、液溫，報警提示等功能；

　　(4)具有節(jié)能特性，隨著電機(jī)負(fù)載的變化軟啟動器自適應(yīng)調(diào)整電機(jī)電壓，使電機(jī)運行效率高，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，主要對動極板的運行進(jìn)行控制．并監(jiān)測啟動過程中液阻及電動機(jī)的動態(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、故障檢測與報警等模塊。其功能有：極板的復(fù)位、極板起動時的運行、設(shè)備運行狀況的顯示、根據(jù)反饋信號判斷是否有故障，起動成功與否等等。設(shè)有人機(jī)對話接口，可方便地調(diào)整內(nèi)置參數(shù)，依據(jù)電機(jī)的起動特性，通過參數(shù)調(diào)整，得到較理想的起動效果。

　　1.4 控制原理

　　系統(tǒng)軟啟動控制原理。在電動機(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)運行斷路器，QF2為星點短接斷路器，SR為電解液變阻器，QS2為隔離開關(guān)。QYJ為勵磁裝置投全壓繼電器的常開接點，KA1為PLC控制星點閉合中間繼電器的接點，KA3為PLC故障跳閘出口控制星點斷開中間繼電器的接點，K1為防跳繼電器，H為星點柜合閘線圈，F(xiàn)為星點柜跳閘線圈，R1為1歐姆／25W電阻，3TA，4TA為電流互感器，SB6，SB7為手動星點柜閉合、跳開按鈕，HL9。HLl0為星點柜斷開、星點柜閉合指示燈，F(xiàn)U1，F(xiàn)U2熔斷器，電解液變阻器是由3個相互絕緣電解箱組成，內(nèi)部分別盛有電液及一組相對應(yīng)的導(dǎo)電極板，通過傳動機(jī)構(gòu)及伺服系統(tǒng)控制動極板運行，伺服系統(tǒng)受控于PLC，PLC系統(tǒng)利用內(nèi)部計算機(jī)仿真軟件對啟動過程進(jìn)行控制，啟動開始根據(jù)電機(jī)電流大小自動的調(diào)整液阻值(動極板的開始位置)，通過程序的編寫，可以使動極板在3個時間段內(nèi)以不同的速度勻速運動，更接近實際液阻的變化。使整個啟動過程在較小的啟動電流下，均勻升速而液阻無級切換，從而實現(xiàn)電機(jī)的軟啟動。

　　1.5 液體電阻的配制

　　先將活動極板移動到啟動位置，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個液體電阻箱內(nèi)，使液體濃度在3％左右。將活動極板升降數(shù)次，使液體攪拌均勻，然后將極板復(fù)位。利用“伏安法”測量任意一個液阻箱內(nèi)動靜兩電極之間的電阻值R即可。

　　1.6 液體電阻的測量

　　將液體電阻的活動極板移動到啟動位置，測量任意一個液阻箱內(nèi)動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 電動機(jī)啟動仿真

　　選擇一臺三相鼠籠型異步電動機(jī)進(jìn)行仿真計算。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，勵磁電抗0.01038Q，極對數(shù)為2，轉(zhuǎn)動慣量2.3kg·mz，摩擦系數(shù)0.05421N·m·s。

　　電動機(jī)直接啟動時經(jīng)計算，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時，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，電動機(jī)直接啟動時其電流達(dá)到額定電流的7倍之多，達(dá)到1500A，啟動時間為0.9s；當(dāng)接入液阻啟動時，啟動電流是530A，啟動時間為25.5s；將液阻分段線性化之后，啟動電流為500A左右，啟動時間縮短到20s。

3 結(jié)束語

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