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磁控软起动技术 天津先导机电有限公司 高越农 1、 概述 交流电动机的软起动是一个技术问题。电动机软起动技术在不断发展。在电力电子器件和技术高度发展的今天，电动机的电力电子软起动有三个值得重视的分支：1）、磁控软起动2）、晶闸管软起动，3）、液阻软起动。 变频调速应是21世纪电气传动的主流，它兼具软起动功能。变频调速软起动优于以上3种软起动，因为变频调速软起动可以在限制交流电流的同时，实现大起动转矩的软起动。液阻软起动装置体积太大，电解液有挥发、结冰等问题，晶闸管软起动和磁控软起动以及定子侧液阻软起动均属于以牺牲起动转矩为代价的降压软起动。 因为变频调速装置的售价太贵，购置变频调速装置从来都是着眼于调速，不会仅仅为了软起动，所以，人们一般不把变频调速归于软起动。 晶闸管（SCR）软起动和磁控软起动技术（产品）仍将是今后10多年内软起动行业内的主流技术（产品），能够使线绕式异步电动机得到大起动转矩的转子侧液阻软起动的生命力仍然会相当强大，高压电动机液阻软起动也还会因为其价格优势而受青睐。 2、晶闸管软起动和磁控软起动技术的比较 1） 共同点： 1-1、均属于降压（限流）软起动，限制电动机定子电流以牺牲电磁转矩为代价， 1-2、限流器件被短接时，基本上没有（二次）电流冲击， 1-3、比变频软起动便宜， （以上3条亦是液阻软起动的特点） 1-4、均可以实现软起动和软停止（液阻软起动不便于实现软停止）， 1-5、在软起动过程中，限流器件无明显发热（不象液阻那样）， 1-6、比液阻软起动易于维护，不存在电解液挥发和结冰、电极板锈蚀等问题，个头比液阻软起动装置小。 2）、晶闸管软起动技术相对磁控软起动技术的优点 2-1、电抗变化的时间常数小（10ms），因而便于实现定子电流的快速变化，（磁控软起动电抗调节的时间常数约为0.1~0.2 s）。 2-2、在电动机容量相当的条件下，设备占用的空间更小。 3）、磁控软起动技术相对晶闸管软起动技术的优点 3-1、饱和电抗产生的谐波比SCR小，谐波会干扰通讯、计算机设备正常运行， 3-2、软、硬件均比晶闸管软起动简单， 3-3、便宜。特别是当起动对象为高压大容量相当电动机时，由于不存在SCR串联引起的静态、动态均压问题，磁控软起动的设备造价便宜的优点将更突出。 3、磁控软起动技术的发展现状 国外，尚未收集到这方面的报道。 虽然如此，国内某厂在70 年代从比利时ACEC公司引进的高压大容量（10kv,30Mva）动态无功补偿装置中的核心部件就是三相磁饱和电抗器。 在2000年《电气传动》增刊上，有山东蒙阴建设设计院杨成德的一篇文章，报道了在智能大厦和民用建筑中使用磁控软起动装置的成功经验，对晶闸管（SCR）软起动和磁控软起动这‘两种科技含量较高的软起动器的经济技术指标进行了对比分析’。 本公司已经完成了以135kw 、380v电动机磁控软起动的设备样机的制作，样机在天津钢管公司完成了试运行。在它的控制下，135kw 、380v电动机的软起动在10 秒内完成，电动机起动电流被限制在2.5倍额定电流以内。本公司磁控软起动设备的技术特点是将微电子技术融合于磁控软起动。 4、磁控软起动的工作原理 在交流电动机定子回路串固定铁心电抗就可以实现限流软起动，它的问题是起动接近完成时固定电抗将影响电动机的升速，速度接近额定值时电抗两端的电压大，被短接时会产生较大的二次冲击电流。 磁控软起动用磁饱和铁芯电抗取代固定铁芯电抗，在起动过程中不断增加其饱和度，减少其电感值，速度接近额定值时电抗的端电压小，被短接时不会有明显的二次冲击电流。 交流绕组的电感 与铁芯的导磁率 成正比。 调节磁控软起动装置交流绕组（工作绕组）电感或电抗的方法是通过改变铁芯的直流励磁改变铁芯的导磁率 ， 为直流控制（励磁）电流。 利用饱和电抗的可调节性，磁控软起动装置可以实现闭环控制，实现例如恒流软起动，带有限初始脉冲电流冲击（‘kick’）的软起动，可以实现软停止。 5、磁饱和电抗器的铁芯结构形式 饱和电抗器的铁芯结构和绕组剖面图 与固定铁芯电抗软起动不同，磁饱和电抗器除了具有串在三相电动机定子进线侧的交流绕组（工作绕组）以外，还有控制铁芯饱和程度的直流绕组（励磁绕组或控制绕组），为了抵消交流绕组对于直流绕组的反作用，减少交流绕组电流在直流绕组上的感应电势，每相采用了2个交流绕组，它们在直流绕组上的感应电势却是反极性的。 因为磁饱和电抗器在软起动过程结束后即脱电运行，其冷却方式为空气自然冷却。 6、磁控软起动器结构和组成 1、 以135kw 、380v电动机磁控软起动的设备为例，外形尺寸为 ，设备总重量为 。 2、 组成：三相饱和电抗器1个，2~3个开关和接触器若干，直流励磁控制系统（包括电力电子器件，励磁用三相整流变压器，电流互感器，PLC等）。 作者简介：高越农，男，1959年毕业于清华大学自动控制系，曾任武汉科技大学自动化系教授，2000年退休。多年从事电动机软起动技术开发工作，1998至2000年任湖北襄樊追日电气公司顾问，因共同参与高压电动机液阻软起动技术的开发获2001年度湖北省科学技术进步三等奖。 作者E-mail : gaoynli.@21cn.com 软起动装置的初级智能化 天津先导机电有限公司 高越农 摘要：本文从控制理论角度提示如何主要通过软件开发将‘智能化’这一被商家泛用的标签变成SCR软起动装置的初级智能化现实。对于有志于技术进步的SCR软起动装置的制造厂家和用户，本文的基本观点至少是值得探讨的。 关键词：软起动 控制理论 智能化 软件开发 一、引言 SCR软起动装置是电气传动电力电子装置的一种，它具有该类装置的共性：将电能转化成电动机的动能，其工作状况受到环境和外界（电网和负载等）的影响，受到相关器件（电动机、变压器等）承受能力的制约。 但SCR软起动装置毕竟是其中的一个特殊类别。其特点是：（1）、工作是论‘次数’的，每次工作周期通常只有几十秒钟，软起动过程总是在电动机转速接近其额定值时结束。（2）、每次软起动的外界条件（指电网和负载情况）大体是相同的。例如除尘风机，每次都同样在关风门的条件下起动，焦化车间的冷却水泵的扬程，每次均大体相同。因此，软起动过程具有较好的重复性。（3）、人们通常只关心软起动的成败，不太关心它的好坏，不很在意于软起动中出现的一些毛病，例如对电网污染大、噪声大等等，忽略对软起动过程质量的评估和比较。这种不关心虽然事出有因，但毕竟是一种不利于技术进步的惰性。 软起动的对象是‘电网-电动机-负载’。对象的情况以及生产工艺对对象的要求是软起动装置选型以及起动方式的选取或制订的出发点。 ‘起动方式’一词表示软起动装置按什么原则、规律将电动机从零速升速至额定。有所谓‘斜坡式电压起动方式’，‘恒流或限流起动方式’，‘脉冲突跳方式’等等。 为了方便用户、增加产品的适应性，各软起动装置的生产厂家均提供了众多的可资遴选的‘起动方式’。例如SIEI公司，据说就有1、普通负载标准起动，2、高起动转矩负载，3、常用泵，4、需带突跳起动的泵，5、轻型传输带，6、重型传输带，7、小惯量风机，8、大惯量风机，9、往复式压缩机，10、螺旋式压缩机，共10种。雷诺尔公司有：1、限流起动，2、斜坡电压起动，3、转矩加突跳控制起动，4、转矩控制起动，5、电压控制起动，共5种。 在控制工程界，智能控制是一个专用术语，它应包括‘判断、推论、理解、识别、规划、学习’等内涵[3]。当今世界上很多号称‘智能化’的SCR软起动装置商品，实际上都与‘智能化’并不沾边。它们不过是微电子化的电力电子装置，被称为‘伶俐的’，‘smart’已是莫大荣幸了。 二、什么样的软起动装置可以称为‘初级智能化的装置’？ （1）、 它应该含有一个能够对软起动过程作出评价的体系。一个好的软起动过程，应该是对电网影响（包括谐波公害）小的，起动耗时短的，冲击电流冲量小的，机械冲击力小的，噪声小的，电动机温升小的过程。不同用户对每一指标的重视程度又不尽相同。前已述及，软起动装置的生产厂家面对的用户往往是比较宽容的，但也不乏锱铢必较的。生产厂家为创建自己的品牌，当然应该格外重视后者的意见。 智能化软起动装置应该有一些内置的和一些用户可输入的衡量指标，对往次的软起动方式自动作出‘优、良、及格、差’的评分，由此作出需不需要和如何对下一次的起动方式做修改的建议甚至决策，不论下一次起动是立即还是在明天、下半年或明年。一个对自己业绩‘心中无数’的机器不成其为智能化机器。 （2）、 它必须能对对象（电网-电动机-负载）作至少是离线（事后）的辨识。在软起动装置第一次投运时，或者在对象情况有了大的变化以后，它只能在‘知己不充分知彼’的情况下试投运。智能化的软起动装置应能通过经验的积累辨识对象的数学模型。包括电网、电动机的基本参数，特别是电动机的 和 以及负载转矩 分别是转速的什么函数。这将成为修改起动方式的依据。一个不能够或拒绝自学习的机器不成其为智能化机器。 （3）、 它应是能够按照反馈或前馈控制原则工作的装置。控制是在检测的基础上实现的。‘恒电流起动方式’应是在检测电动机电流的基础上实现的，‘转矩起动方式’应是在检测电动机转矩基础上实现的。对于已知的SCR软起动装置商品而言，它能够感知的变量仅仅是电网电压，电动机电压和定子电流（由此可得出输入到电动机的有功和无功功率）以及若干点的温度和时间。SCR软起动装置所能实现的控制，当然不可能超越它的感知能力。按照这一观点，如果SCR软起动装置根本无法获取（直接测量或间接重构）电动机转矩，所谓‘转矩起动方式’就很难说不牵强了。 三、 一律通过电流闭环实现SCR多方式软起动的合理性 控制理论认为，任何确定型多变量控制系统，都可以由输入变量 到输出变量 的映射来描述： ，其中， 是各输入 ， 的向量表示， 是各输出 ， 的向量表示， 表示映射关系， 是‘象源’， 是由映射产生的‘象’。如果指定 中的某一个分量 （ ）应该是某一图形的，可以激励出此 的 一般是非唯一的， ， 的这个组合可以实现 ，另一个组合也能实现之。 但是，如果单输入系统输入变量为 ，且非零 映射的 非零，则可以实现某特定 的 就是唯一的，这是一类具有‘1-1对应’ 映射关系的系统。这类系统中的任一变量都可视为‘象源’，其它一切变量均是其映射生成的‘象’。 SCR软起动装置和对象所组成的系统，在对象情况不变的条件下，正好就是这样的系统。输入变量（SCR触发角） 就是 ‘象源’， 它通过系统映射为‘象’：由 ， ， 等变量表征的整个软起动过程。也可以将电动机电压 或定子电流 视为‘象源’，软起动过程中一切物理量（包括 在内）的变化过程均是由‘象源’ 或 映射产生的‘象’。由于SCR软起动装置电压或电流闭环的响应速度极快，又可以把电流给定 视同 ，电压给定 视同 ，只要精心构建好一条 或 就可以演绎出任一种起动方式所期盼的结果。 对象情况的变异（例如电网电压、电动机温升、负载强弱的变化）是破坏上述映射关系的扰动，由于电流闭环的抗扰动性优于电压闭环，我们宁可选择 为‘象源’。 只有在对象较大变异频发的条件下，才需要对电流闭环无法抑制的扰动作补偿，就是说，按照获悉的扰动的性质和强度，在线修正 。本文对此不作探讨。 按照这一思路，SCR软起动装置生产厂家实实在在不必为在自己的装置内置几到上十种起动方式，只须要规定一律按电流闭环方式工作就可以了。起动方式的多样性完全靠 的多样性实现。这样，可以根据用户的情况，手绘一条初始的 ，通过例如扫描仪送入SCR软起动装置，然后，进行试投运，由‘评价体系’对软起动过程评分，再将 修正成 ，直至评分为‘优’为止。 按照这一思路，软起动过程的优劣完全取决于 的形状。人们不必仅仅从某品牌SCR软起动装置拥有起动方式的多寡或适应性的宽窄较量什么品牌是‘最原始、最低级、最简单的’，而什么品牌是 ‘最先进的’， 人们应该把自己的注意力集中在怎样提出一个恰当的 上，怎样建立一个好的软起动过程评价体系上，如何根据评分改进 上。一句话，用在实现软起动产品真正意义上的智能化上。 四、 初级智能化必需的软件： 这里，初级智能化是指按软起动次数逐次自我改进。 我们认为，初级智能化主要是软件开发的任务。至少要配备以下4个软件： （1）、软起动过程质量评价软件QE（quality evaluation） 软件QE可以概括为‘感知’、‘量化’、‘加权求和’、‘归类’。 在硬件上落实对SCR软起动装置各项要求的可感知性的基础上，将要求量化，再根据每一要求的重要程度给量化值加权，相加得到评价函数（或惩罚函数），归类为‘优、良、及格、差’。 （2）、 与软起动过程映射关系离线仿真软件SPS（soft-start process simulation） 为了有效地开发仿真软件SPS，我们必须掌握对象的数学模型，特别是供电电网的输出阻抗，电动机的机械特性 和负载特性 以及折算到电动机的总飞轮惯量 。仿真软件SPS的任务是预测由 引起的整个软起动过程。 仿真软件SPS的输入应包括对象的数学模型和既定的 ，它的输出则包括 ， ， ，网压 ， ， ，电动机发热量 ， 等。 是否可用应以仿真输出图形 等的是否适宜为标准。 仿真软件SPS应能实现逆仿真，即以用户要求的 或 为输入，逆仿真得到 ，以及与之相应的 。 我们曾经成功开发过液态电阻软起动仿真软件， SPS可以在稍加修改后得到。 （3）、离线辨识软件MI（model identification） 在建模中，难点之一是如何得到 。对 ，绝大多数电动机制造厂家均不向用户提供其实测或设计曲线，这是令人十分遗憾和困惑的。在我们的查阅范围内，所有电力拖动教材和文献提供的帮助均不能使我们通过几个有限的电动机参数最终确定 。 难点之二是 的不确定性。按照负载的性质，人们大体可以知道风机、水泵、皮带传输机、球磨机、搅拌机等的 的形状，但是很难得到 的确切图形。 这样，就提出了通过离线辨识建模的任务。 软件MI的做法是让SCR软起动装置对象系统按任意方式作一次软起动，在这一过程中，采集 ， ，网压 ，电动机功率因数 等数据，结合某些已知的数据和先验的猜测，通过不断改进吻合程度的方法获取对象的数学模型。 该软件的输出除了 和 以外还包括电网输出阻抗 ， 等。 我们认为，若能同时采集 数据对建模精度将是大有好处的。但是，从硬件上落实可能会遇到麻烦，是否采集 是一个值得权衡的问题。 （4）、 生成软件IG（instructions generation） 软件IG的任务是根据质量评价软件QE的结果，自动生成新的 。 一种新型的微电子化磁饱和软起动装置以其可靠性高、谐波污染小、维护简易、价格便宜而受到业界的青睐。磁饱和软起动装置电流闭环的响应速度比SCR软起动装置要慢许多，但是，相对于软起动过程而言，其响应速度仍然是相当快的。所以，本文阐述观点的绝大部分亦适用于这类软起动装置。 2001-7-18 参考资料 1、 智能化软起动器的功能及品种 厉无咎 中国工控网 凹凸网—自动化技术信息网 2、 电机软起动器的探讨 金墨 齐永杰 www.chinakong.com 2000.11 3、 机器人学 蔡自兴 清华大学出版社 2000.9 作者简介：高越农，男，1959年毕业于清华大学自动控制系，曾任武汉科技大学自动化系教授，2000年退休。多年从事电动机软起动技术开发工作，1998至2000年任湖北襄樊追日电气公司顾问，因共同参与高压电动机液阻软起动技术的开发获2001年度湖北省科学技术进步三等奖。 作者E-mail : gaoynli.@21cn.com

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