基于PLC的电机软启动系统的设计与实现

0 引言

　　据统计，我国在冶金、化工、轻纺等领域风机、水泵等电机约5000万台，年耗电量占全国发电量的1／3以上，在这些电机中，高电压大容量电机耗电量占80％以上。在直接启动方式下，启动电流是额定电流的4～8倍，启动转矩是额定转矩的0.5～1.5倍。这些特点使得电动机带负载启动的能力下降，容易发生过载损坏。同时过大的启动电流也会给供电电网带来很大的电流冲击，导致电网的供电质量下降，影响电网的其他用电设备的正常运行。因此，为提高电动机与电网的运行质量，经常采用软启动器装置来改善电动机的启动性能。目前，国内外已有少数的几种产品问世，但价格昂贵，很难推广。基于PLC的液态软启动系统技术先进，操作方便，运行稳定可靠，因投资少、性能好，在性价比方面具有非常大的优势，适合国情，经济效益、社会效益十分硅著，值得推广应用。本文在液阻软启动装置设计中，将液阻阻值分段线性化，使软启动过程更加符合实际电阻的变化，软启动效果更好。

1 液态电阻软启动器的工作原理及特点

　　1.1 工作原理及特点

　　基于PLC的液态软启动适用额定电压为3～10kV，50Hz，功率为100～16000kw的同步或异步鼠笼式(绕线式)电动机的软启动。在被控电动机的定子阿路中串入一液体电阻，电阻值的可变性是靠改变两极板之间的距离实现的。该电阻随着电动机的启动而自动投入，并在预定的时间内自动无级变化并切除，从而使电动机接近额定电流和最大转矩的情况下均匀升速，平稳启动。该液体变阻启动装置的液阻和启动时间可按工况随机调整。该装置可将启动电流限制在(1.5～3.5)L范围内(I，是额定电流)，可连续启动三次。该装置采用PLC控制，自动化程度高，运行可靠。同时，可附加启动曲线输出、储存及远程通信等功能。将液体电阻串入定子侧的方法本质上属于降压启动，它是以损失部分启动力矩为代价的；但对于非恒转矩负载(如风机)或轻载启动的大功率高压电动机来说，在电网容量不是足够大或是瞬时对拖动设备冲击大时却是非常有效的解决办法之一，而且不会产生谐波影响。液体电阻配置也比较简单，为清洁自来水加电解液即可。

　　一般情况下，动极板只是匀速运动，接近静极板，从而改变液阻值的大小。其恒流启动特性曲线示意图如图1所示。

图1恒流启动特性曲线示意图

　其中，I_e为电机额定工作电流；r为液态启动电阻的电阻值。在一般的恒流软启动装置中，忽略液态电阻的非线性变化，只认为此电阻只按某一个斜率线性变化减少，从而极板的匀速运动对应于阻值是线性变化的，这与实际情况有所不同。由图1可见，其启动电阻是非线性变化的。本设计的改进思想就是将该启动电阻的非线性分段线性化，这样就更接近实际的电阻变化状态。如图2所示。

图2液阻的分段线性化 

　　将此液态启动电阻分段线性化为三段，在0～t₁时刻，液态电阻值从最大液阻值r变小到0.8r；在t2～t3如时刻，液态电阻值从0.8r变小到0.5r；在t₂～t₃时刻，液态电阻值从0.5r变小到0，从而切除液阻。将此液阻的非线性变化分三段，并使每段的阻值都以一个固定的斜率变化，每段的阻值线性变化，动极板都以一个对应的匀速运动速度与之对应。也就是说，在三个阻值线性变化的不同区间内，动极板就以三个不同的速度与之对应。阻值变化斜率小的时间段内，与之对应的动极板运动速度就慢；反之，阻值变化斜率大的时问段内，与之对应的动极板运动速度就快。通过设置三个时间段内动极板的不同运动速度改变液态启动电阻阻值，使整个控制液态阻值的变化过程更接近实际恒流启动时液阻的变化过程，控制效果更理想。

　　当用户设定启动电流、启动时间后，通过在该系统上位机中的仿真结果及相关实际启动数据，装置自动完成液态电阻动态变化的计算及物理实现。

1.2 系统构成

　　该系统的构成如图3所示。主要由液体电阻箱、电极、传动装置、控制电路、柜体等组成。传动装置由驱动电机、升降架等机构组成，用以牵引动极板做垂直运动。起改变阻值的作用。在定子回路中串入三相液态电阻。液体电阻箱由三个相互绝缘的电液箱构成，内部盛有电液的一组相对应导电极板，其中一动一静，通过驱动电机控制升降架升降从而使与升降架连接的动极板组动作、运行。

图3系统构成

　　起动时，液体电阻串接于电机定子同路中，降低了电机的起动电压，使电机在3倍额定电流强度下起动。起动开始后，由驱动电机驱使动极板向静极板做垂直方向的接近运动，按一定的控制程序逐步减小阻值(阻值大小由极板间的距离决定，动极板按照程序设定好的运动速度运动，对应于在各个分段内阻值的变化快慢)，使定子电压由低到高逐步上升。可使电机在限定的电流范围内平滑起动。当阻值几乎变化到“0”时，电机电压也升到额定值，电机转速亦到达额定值，液阻被切除，软起动过程完毕。