0 引言

　　據統計，我國在冶金、化工、輕紡等領域風機、水泵等電機約5000萬臺，年耗電量占全國發電量的1／3以上，在這些電機中，高電壓大容量電機耗電量占80％以上。在直接啟動方式下，啟動電流是額定電流的4～8倍，啟動轉矩是額定轉矩的0.5～1.5倍。這些特點使得電動機帶負載啟動的能力下降，容易發生過載損壞。同時過大的啟動電流也會給供電電網帶來很大的電流沖擊，導致電網的供電質量下降，影響電網的其他用電設備的正常運行。因此，為提高電動機與電網的運行質量，經常采用軟啟動器裝置來改善電動機的啟動性能。目前，國內外已有少數的幾種產品問世，但價格昂貴，很難推廣。基于PLC的液態軟啟動系統技術先進，操作方便，運行穩定可靠，因投資少、性能好，在性價比方面具有非常大的優勢，適合國情，經濟效益、社會效益十分硅著，值得推廣應用。本文在液阻軟啟動裝置設計中，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)電動機的軟啟動。在被控電動機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的。該電阻隨著電動機的啟動而自動投入，并在預定的時間內自動無級變化并切除，從而使電動機接近額定電流和最大轉矩的情況下均勻升速，平穩啟動。該液體變阻啟動裝置的液阻和啟動時間可按工況隨機調整。該裝置可將啟動電流限制在(1.5～3.5)L范圍內(I，是額定電流)，可連續啟動三次。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、儲存及遠程通信等功能。將液體電阻串入定子側的方法本質上屬于降壓啟動，它是以損失部分啟動力矩為代價的；但對于非恒轉矩負載(如風機)或輕載啟動的大功率高壓電動機來說，在電網容量不是足夠大或是瞬時對拖動設備沖擊大時卻是非常有效的解決辦法之一，而且不會產生諧波影響。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為電機額定工作電流；r為液態啟動電阻的電阻值。在一般的恒流軟啟動裝置中，忽略液態電阻的非線性變化，只認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。本設計的改進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。如圖2所示。

　　將此液態啟動電阻分段線性化為三段，在0～t₁時刻，液態電阻值從最大液阻值r變小到0.8r；在t2～t3如時刻，液態電阻值從0.8r變小到0.5r；在t₂～t₃時刻，液態電阻值從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的勻速運動速度與之對應。也就是說，在三個阻值線性變化的不同區間內，動極板就以三個不同的速度與之對應。阻值變化斜率小的時間段內，與之對應的動極板運動速度就慢；反之，阻值變化斜率大的時問段內，與之對應的動極板運動速度就快。通過設置三個時間段內動極板的不同運動速度改變液態啟動電阻阻值，使整個控制液態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。

　　當用戶設定啟動電流、啟動時間后，通過在該系統上位機中的仿真結果及相關實際啟動數據，裝置自動完成液態電阻動態變化的計算及物理實現。

1.2 系統構成

　　該系統的構成。主要由液體電阻箱、電極、傳動裝置、控制電路、柜體等組成。傳動裝置由驅動電機、升降架等機構組成，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電阻。液體電阻箱由三個相互絕緣的電液箱構成，內部盛有電液的一組相對應導電極板，其中一動一靜，通過驅動電機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定子同路中，降低了電機的起動電壓，使電機在3倍額定電流強度下起動。起動開始后，由驅動電機驅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，動極板按照程序設定好的運動速度運動，對應于在各個分段內阻值的變化快慢)，使定子電壓由低到高逐步上升。可使電機在限定的電流范圍內平滑起動。當阻值幾乎變化到“0”時，電機電壓也升到額定值，電機轉速亦到達額定值，液阻被切除，軟起動過程完畢。

　1.3 液態軟啟動器技術特點

　　該啟動裝置的技術特點：一是通過傳動機構使串聯在電機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；二是液態電阻的阻值靠改變液體中導電質的濃度來改變本身的電阻率，其可調整范圍理論上很大，不會對電網產生諧波污染；三是該裝置具有上位機系統，由用戶設定啟動電流、啟動時間，裝置可自動完成液態電阻動態變化的計算及物理實現。

　　與傳統啟動方式相比較有以下優點：

　　(1)無沖擊電流，降低啟動機械應力，減少對傳動機構的機械沖擊，延長設備使用壽命；

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

　　(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)具有節能特性，隨著電機負載的變化軟啟動器自適應調整電機電壓，使電機運行效率高，節能效果顯著；

　　(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行控制．并監測啟動過程中液阻及電動機的動態參數。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：極板的復位、極板起動時的運行、設備運行狀況的顯示、根據反饋信號判斷是否有故障，起動成功與否等等。設有人機對話接口，可方便地調整內置參數，依據電機的起動特性，通過參數調整，得到較理想的起動效果。

　　1.4 控制原理

　　系統軟啟動控制原理。在電動機的定子回路中串入電液變阻裝置的三相電阻，QF1為主電機運行斷路器，QF2為星點短接斷路器，SR為電解液變阻器，QS2為隔離開關。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，FU1，FU2熔斷器，電解液變阻器是由3個相互絕緣電解箱組成，內部分別盛有電液及一組相對應的導電極板，通過傳動機構及伺服系統控制動極板運行，伺服系統受控于PLC，PLC系統利用內部計算機仿真軟件對啟動過程進行控制，啟動開始根據電機電流大小自動的調整液阻值(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，從而實現電機的軟啟動。

　　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，使液體濃度在3％左右。將活動極板升降數次，使液體攪拌均勻，然后將極板復位。利用“伏安法”測量任意一個液阻箱內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動靜兩電極間的電壓差及電流大小，液態電阻R=VH，測量回路如圖5所示。

2 電動機啟動仿真

　　選擇一臺三相鼠籠型異步電動機進行仿真計算。該電機參數為：額定功率110kW，定子電阻0.0215512，定子電抗0.000226Q，轉子電阻0.02155Q，轉子電抗0.000226fl，勵磁電抗0.01038Q，極對數為2，轉動慣量2.3kg·mz，摩擦系數0.05421N·m·s。

　　電動機直接啟動時經計算，液態阻值的初始最大值為0.37Q。當以該阻值為初始值不分段線性化啟動時，將液態電阻分段線性化后，根據以上仿真研究可以看出，電動機直接啟動時其電流達到額定電流的7倍之多，達到1500A，啟動時間為0.9s；當接入液阻啟動時，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 結束語

　　目前，本設計已在西安某公司得到良好實現及應用。從國內高電壓大功率電機的起動控制市場來看，由于該液態軟啟動裝置具有結構簡單，價格便宜，使用及維修方便，運行穩定可靠，啟動電流可按工藝工況隨機進行無級調整、啟動設備平穩無沖擊、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用。特別是根據液阻的變化規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，使電動機的啟動性能更好，更有效率