高越農

1  引言
軟起動(dòng)裝置可分為液態(tài)的和固態(tài)的兩大類(lèi)。
固態(tài)軟起動(dòng)裝置可分為微電子的和非微電子的兩類(lèi)。本文討論微電子軟起動(dòng)裝置的初級智能化問(wèn)題。微電子軟起動(dòng)裝置分為以晶閘管SCR為限流電力電子器件的和以磁飽和電抗器為限流器件的兩個(gè)分支。本文的所有論點(diǎn)對這兩個(gè)分支來(lái)說(shuō)均是適用的。
微電子軟起動(dòng)裝置是電氣傳動(dòng)電力電子裝置的一種，它具有該類(lèi)裝置的共性，即將電能轉化成電動(dòng)機的動(dòng)能。其工作狀況受到環(huán)境和外界（電網(wǎng)和負載等）的影響，受到相關(guān)器件（電動(dòng)機、變壓器等）承受能力的制約。
微電子軟起動(dòng)裝置本身的特點(diǎn)是：① 工作是論“次數”的，每次工作周期通常只有幾十秒鐘，軟起動(dòng)過(guò)程總是在電動(dòng)機轉速接近其額定值時(shí)結束。② 每次軟起動(dòng)的外界條件（指電網(wǎng)和負載情況）大體是相同的。例如除塵風(fēng)機每次都同樣在關(guān)風(fēng)門(mén)的條件下起動(dòng)，焦化車(chē)間的冷卻水泵的揚程每次均大體相同，因此，軟起動(dòng)過(guò)程具有較好的重復性。③ 人們通常只關(guān)心軟起動(dòng)的成敗，不太關(guān)心它的好壞，不很在意軟起動(dòng)中出現的一些毛病，例如對電網(wǎng)污染大、噪聲大等，忽略對軟起動(dòng)過(guò)程質(zhì)量的評估和比較。這種不關(guān)心雖然事出有因，但畢竟是不利于技術(shù)進(jìn)步的。
軟起動(dòng)的對象是指電網(wǎng)―電動(dòng)機―負載。對象的情況以及生產(chǎn)工藝對對象的要求是軟起動(dòng)裝置選型以及起動(dòng)方式的選取或制訂的出發(fā)點(diǎn)。
起動(dòng)方式指軟起動(dòng)裝置按什么原則、規律將電動(dòng)機從零速升至額定轉速。它的起動(dòng)方式有斜坡式
電壓起動(dòng)方式、恒流或限流起動(dòng)方式、脈沖突跳方式等幾種。為了增加產(chǎn)品的適應性，各軟起動(dòng)裝置的生產(chǎn)廠(chǎng)家均提供了眾多可選的起動(dòng)方式。例如SIEI公司就有普通負載標準起動(dòng)、高起動(dòng)轉矩負載、常用泵、需帶突跳起動(dòng)的泵、輕型傳輸帶、重型傳輸帶、小慣量風(fēng)機、大慣量風(fēng)機、往復式壓縮機、螺旋式壓縮機共10種。雷諾爾公司有限流起動(dòng)、斜坡電壓起動(dòng)、轉矩加突跳控制起動(dòng)、轉矩控制起動(dòng)、電壓控制起動(dòng)共5種。
在控制工程界，智能控制應包括判斷、推論、理解、識別、規劃、學(xué)習等內涵。當今世界上很多號稱(chēng)“智能化”的SCR軟起動(dòng)裝置商品，實(shí)際上只不過(guò)是微電子化的電力電子裝置，并不具備“智能化”的基本特征。
2  初級智能化的裝置
(1)  它應該含有一個(gè)能夠對軟起動(dòng)過(guò)程作出評價(jià)的體系。一個(gè)好的軟起動(dòng)過(guò)程應該是對電網(wǎng)影響（包括諧波公害）小、起動(dòng)耗時(shí)短、沖擊電流沖量小、機械沖擊力小、噪聲小、電動(dòng)機溫升小的過(guò)程。
智能化軟起動(dòng)裝置應該有一些內置的和一些用戶(hù)可輸入的衡量指標，以便對往次的軟起動(dòng)方式自動(dòng)作出“優(yōu)、良、及格、差”的評分，為下一次的軟起動(dòng)方式提供必要的參考。
(2)  它必須能對對象（電網(wǎng)―電動(dòng)機―負載）作至少是離線(xiàn)的辨識。在軟起動(dòng)裝置第一次投運時(shí)或者在對象情況有了大的變化以后，應能通過(guò)經(jīng)驗的積累辨識對象的數學(xué)模型，包括電網(wǎng)、電動(dòng)機的基本參數，特別是電動(dòng)機的 和 以及負載轉矩Mfz是轉速的什么函數。這將成為修改起動(dòng)方式的依據。
(3)  它應是能夠按照反饋或前饋控制原則工作的裝置?？刂剖窃跈z測的基礎上實(shí)現的，如恒電流起動(dòng)方式應是在檢測電動(dòng)機電流的基礎上實(shí)現，轉矩起動(dòng)方式應是在檢測電動(dòng)機轉矩基礎上實(shí)現。對于已知的SCR軟起動(dòng)裝置，它能夠感知的變量?jì)H僅是電網(wǎng)電壓、電動(dòng)機電壓、定子電流（由此可得出輸入到電動(dòng)機的有功和無(wú)功功率）以及若干點(diǎn)的溫度和時(shí)間。SCR軟起動(dòng)裝置所能實(shí)現的控制，當然不可能超越它的感知能力。
3  一律通過(guò)電流閉環(huán)實(shí)現軟起動(dòng)的合理性
任何一個(gè)被認為是好的起動(dòng)過(guò)程，都會(huì )產(chǎn)生出相應的電機電流I(t)、電機線(xiàn)電壓U(t)、電機轉速n(t)曲線(xiàn)。軟起動(dòng)方式若以這些好的曲線(xiàn)為期望值，就應能實(shí)現好的起動(dòng)過(guò)程。
從原則上來(lái)看，以好的I(t)、U(t)、n(t)折合為給定電壓I*(t)、U*(t)、n*(t)輸入到軟起動(dòng)裝置中，讓裝置按電流、電壓、轉速閉環(huán)工作，就可以獲得好的起動(dòng)效果。
但是，作者推薦以I*(t)為轉入的電流閉環(huán)軟起動(dòng)方式。理由如下：
①  閉環(huán)的反饋信號應該是容易得到的。在大多數使用場(chǎng)合，電動(dòng)機的轉速反饋信號難以獲得，所以不應將轉速閉環(huán)控制視為合理的軟起動(dòng)方式。
②  在整個(gè)閉環(huán)軟起動(dòng)過(guò)程中，絕對避免出現開(kāi)環(huán)是不容易做到的，也是不必要的。在選擇起動(dòng)方式時(shí)，應將開(kāi)環(huán)帶來(lái)的負面影響限制到最小程度。事實(shí)上，好的U(t)波形會(huì )在轉速接近額定時(shí)陡然上升。如果我們不能準確預知這個(gè)由緩變陡的時(shí)刻，以主觀(guān)擬定的U*(t)作為電壓閉環(huán)的基準信號，就很可能導致電流I(t)“憋住”或沖擊。
③  外界條件的變化會(huì )使好的I(t)、U(t)、n(t)的波形有相應的變化。相對而言，軟起動(dòng)過(guò)程中好的I(t)波形比較容易把握，它總是以一個(gè)不帶突跳或帶突跳的平臺作為起始，到轉速n接近額定值ne時(shí)，I(t)因電流開(kāi)環(huán)而遞減至穩定值。
④  軟起動(dòng)實(shí)質(zhì)是限電流起動(dòng)。直接起動(dòng)的一切危害（包括機械力、諧波等）均源于電流沖擊。電流閉環(huán)控制從根本上確保了軟起動(dòng)的質(zhì)量。
4  智能必須的軟件
這里，初級智能化是指按軟起動(dòng)次數逐次自我改進(jìn)。
我們認為，初級智能化主要是軟件開(kāi)發(fā)的任務(wù)。至少要配備以下4個(gè)軟件：
(1)  軟起動(dòng)過(guò)程質(zhì)量評價(jià)軟件QE（Quality Evaluation）可以概括為“感知”、“量化”、“加權求和”、“評分”。在硬件上落實(shí)對微電子軟起動(dòng)裝置各項要求的可感知性的基礎上，將要求量化，再根據每個(gè)要求的重要程度給量化值加權，相加得到評價(jià)函數。
(2)   與相應的軟起動(dòng)過(guò)程映射關(guān)系離線(xiàn)仿真軟件SPS（Soft-start Process Simulation） 為了有效地開(kāi)發(fā)SPS，我們必須掌握對象的數學(xué)模型，特別是供電電網(wǎng)的輸出阻抗，電動(dòng)機的機械特性M(n)和負載特性Mfz(n)以及折算到電動(dòng)機的總飛輪慣量GD2。SPS的任務(wù)是在已知數學(xué)模型的前提下預測由 引起的整個(gè)軟起動(dòng)過(guò)程。它的輸入應包括對象的數學(xué)模型和既定的 ，輸出包括I(t)、U(t)、n(t)、網(wǎng)壓Unet(t)、M(t)、Mfz(t)、電動(dòng)機一次軟起動(dòng)發(fā)熱量W等。
(3)  離線(xiàn)辨識軟件MI（Model Identification）
在建模中，難點(diǎn)之一是如何得到M(n)，絕大多數電動(dòng)機制造廠(chǎng)家均不向用戶(hù)提供其實(shí)測或設計曲線(xiàn)，這是令人十分遺憾和困惑的。在我們的查閱范圍內，所有電力拖動(dòng)教材和文獻提供的幫助均不能使我們通過(guò)幾個(gè)已知的電動(dòng)機參數最終確定M(n)；難點(diǎn)之二是Mfz(n)的不確定性。按照負載的性質(zhì)，人們大體可以知道風(fēng)機、水泵、皮帶傳輸機、球磨機、攪拌機等的Mfz(n)的形狀，但卻很難得到Mfz(n)的確切圖形。
這樣，就提出了通過(guò)離線(xiàn)辨識建模的任務(wù)。
軟件MI讓微電子軟起動(dòng)裝置對象系統按任意方式作一次起動(dòng)，在這一過(guò)程中，采集I(t)、U(t)、Unet(t)、電動(dòng)機功率因數cos1(t)等數據，結合某些已知的數據，通過(guò)不斷改進(jìn)吻合程度的方法獲取對象的數學(xué)模型。
該軟件的輸出既包括M(n)和Mfz(n)，還包括電網(wǎng)輸出阻抗Znet、ΣGD2等。
我們認為，若能同時(shí)采集n(t)數據對建模精度將是大有好處的。但是，從硬件上落實(shí)可能會(huì )遇到麻煩，是否采集n(t)是一個(gè)值得權衡的問(wèn)題。
(4)  I*(t)生成軟件IG（Instructions Generation）
軟件IG的任務(wù)是根據QE的結果，自動(dòng)生成新的I*(t)。