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。
其中，Ie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。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。
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。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。
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。
1.3 液态软启动器技术特点
该启动装置的技术特点：一是通过传动机构使串联在电机定子同路中的液体电阻均匀减小，启动过程完成后液体电阻自动切除，能保证电动机平滑无冲击的启动特性，启动电流能控制在3倍额定电流以内；二是液态电阻的阻值靠改变液体中导电质的浓度来改变本身的电阻率，其可调整范围理论上很大，不会对电网产生谐波污染；三是该装置具有上位机系统，由用户设定启动电流、启动时间，装置可自动完成液态电阻动态变化的计算及物理实现。
与传统启动方式相比较有以下优点：
(1)无冲击电流，降低启动机械应力，减少对传动机构的机械冲击，延长设备使用寿命；
(2)运用仿真软件可对电动机及其拖动设备的启动全过程模拟仿真，具有可预测性的特点；
(3)可靠性高，并具有检测液体电阻液位、液温，报警提示等功能；
(4)具有节能特性，随着电机负载的变化软启动器自适应调整电机电压，使电机运行效率高，节能效果显著；
(5)控制回路采用PLC控制。该装置控制回路采用西门子S7—200可编程逻辑控制器，主要对动极板的运行进行控制．并监测启动过程中液阻及电动机的动态参数。主要程序模块有：逻辑操作、温度控制、通讯、软件滤波、PID算法、故障检测与报警等模块。其功能有：极板的复位、极板起动时的运行、设备运行状况的显示、根据反馈信号判断是否有故障，起动成功与否等等。设有人机对话接口，可方便地调整内置参数，依据电机的起动特性，通过参数调整，得到较理想的起动效果。
1.4 控制原理
系统软启动控制原理。在电动机的定子回路中串入电液变阻装置的三相电阻，QF1为主电机运行断路器，QF2为星点短接断路器，SR为电解液变阻器，QS2为隔离开关。QYJ为励磁装置投全压继电器的常开接点，KA1为PLC控制星点闭合中间继电器的接点，KA3为PLC故障跳闸出口控制星点断开中间继电器的接点，K1为防跳继电器，H为星点柜合闸线圈，F为星点柜跳闸线圈，R1为1欧姆／25W电阻，3TA，4TA为电流互感器，SB6，SB7为手动星点柜闭合、跳开按钮，HL9。HLl0为星点柜断开、星点柜闭合指示灯，FU1，FU2熔断器，电解液变阻器是由3个相互绝缘电解箱组成，内部分别盛有电液及一组相对应的导电极板，通过传动机构及伺服系统控制动极板运行，伺服系统受控于PLC，PLC系统利用内部计算机仿真软件对启动过程进行控制，启动开始根据电机电流大小自动的调整液阻值(动极板的开始位置)，通过程序的编写，可以使动极板在3个时间段内以不同的速度匀速运动，更接近实际液阻的变化。使整个启动过程在较小的启动电流下，均匀升速而液阻无级切换，从而实现电机的软启动。
1.5 液体电阻的配制
先将活动极板移动到启动位置，用清水冲人箱体规定液位线以下20mm处，将电液粉用温水溶锯后分别注入3个液体电阻箱内，使液体浓度在3％左右。将活动极板升降数次，使液体搅拌均匀，然后将极板复位。利用“伏安法”测量任意一个液阻箱内动静两电极之间的电阻值R即可。
1.6 液体电阻的测量
将液体电阻的活动极板移动到启动位置，测量任意一个液阻箱内动静两电极间的电压差及电流大小，液态电阻R=VH，测量回路如图5所示。
2 电动机启动仿真
选择一台三相鼠笼型异步电动机进行仿真计算。该电机参数为：额定功率110kW，定子电阻0.0215512，定子电抗0.000226Q，转子电阻0.02155Q，转子电抗0.000226fl，励磁电抗0.01038Q，极对数为2，转动惯量2.3kg·mz，摩擦系数0.05421N·m·s。
电动机直接启动时经计算，液态阻值的初始最大值为0.37Q。当以该阻值为初始值不分段线性化启动时，将液态电阻分段线性化后，根据以上仿真研究可以看出，电动机直接启动时其电流达到额定电流的7倍之多，达到1500A，启动时间为0.9s；当接入液阻启动时，启动电流是530A，启动时间为25.5s；将液阻分段线性化之后，启动电流为500A左右，启动时间缩短到20s。
3 结束语
目前，本设计已在西安某公司得到良好实现及应用。从国内高电压大功率电机的起动控制市场来看，由于该液态软启动装置具有结构简单，价格便宜，使用及维修方便，运行稳定可靠，启动电流可按工艺工况随机进行无级调整、启动设备平稳无冲击、启动电流平滑等特点，基于PLC控制的液阻软起动已成为主流方向，将会得到越来越广泛的应用。特别是根据液阻的变化规律控制动极板分段匀速运动，将液阻值分段线性化后，启动方案与串液阻实际启动更贴近，使电动机的启动性能更好，更有效率
(审核编辑: 智汇张瑜)
