高越農(nóng)

1  引言
軟起動(dòng)裝置可分為液態(tài)的和固態(tài)的兩大類。
固態(tài)軟起動(dòng)裝置可分為微電子的和非微電子的兩類。本文討論微電子軟起動(dòng)裝置的初級(jí)智能化問題。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(duì)這兩個(gè)分支來說均是適用的。
微電子軟起動(dòng)裝置是電氣傳動(dòng)電力電子裝置的一種，它具有該類裝置的共性，即將電能轉(zhuǎn)化成電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能。其工作狀況受到環(huán)境和外界（電網(wǎng)和負(fù)載等）的影響，受到相關(guān)器件（電動(dòng)機(jī)、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(shù)”的，每次工作周期通常只有幾十秒鐘，軟起動(dòng)過程總是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近其額定值時(shí)結(jié)束。② 每次軟起動(dòng)的外界條件（指電網(wǎng)和負(fù)載情況）大體是相同的。例如除塵風(fēng)機(jī)每次都同樣在關(guān)風(fēng)門的條件下起動(dòng)，焦化車間的冷卻水泵的揚(yáng)程每次均大體相同，因此，軟起動(dòng)過程具有較好的重復(fù)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(xiàn)的一些毛病，例如對(duì)電網(wǎng)污染大、噪聲大等，忽略對(duì)軟起動(dòng)過程質(zhì)量的評(píng)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(duì)象是指電網(wǎng)―電動(dòng)機(jī)―負(fù)載。對(duì)象的情況以及生產(chǎn)工藝對(duì)對(duì)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(guī)律將電動(dòng)機(jī)從零速升至額定轉(zhuǎn)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(yīng)性，各軟起動(dòng)裝置的生產(chǎn)廠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(fù)載標(biāo)準(zhǔn)起動(dòng)、高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩負(fù)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(jī)、大慣量風(fēng)機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)、螺旋式壓縮機(jī)共10種。雷諾爾公司有限流起動(dòng)、斜坡電壓起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)、轉(zhuǎn)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(yīng)包括判斷、推論、理解、識(shí)別、規(guī)劃、學(xué)習(xí)等內(nèi)涵。當(dāng)今世界上很多號(hào)稱“智能化”的SCR軟起動(dòng)裝置商品，實(shí)際上只不過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(jí)智能化的裝置
(1)  它應(yīng)該含有一個(gè)能夠?qū)浧饎?dòng)過程作出評(píng)價(jià)的體系。一個(gè)好的軟起動(dòng)過程應(yīng)該是對(duì)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(jī)械沖擊力小、噪聲小、電動(dòng)機(jī)溫升小的過程。
智能化軟起動(dòng)裝置應(yīng)該有一些內(nèi)置的和一些用戶可輸入的衡量指標(biāo)，以便對(duì)往次的軟起動(dòng)方式自動(dòng)作出“優(yōu)、良、及格、差”的評(píng)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(duì)對(duì)象（電網(wǎng)―電動(dòng)機(jī)―負(fù)載）作至少是離線的辨識(shí)。在軟起動(dòng)裝置第一次投運(yùn)時(shí)或者在對(duì)象情況有了大的變化以后，應(yīng)能通過經(jīng)驗(yàn)的積累辨識(shí)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，包括電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)，特別是電動(dòng)機(jī)的 和 以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfz是轉(zhuǎn)速的什么函數(shù)。這將成為修改起動(dòng)方式的依據(jù)。
(3)  它應(yīng)是能夠按照反饋或前饋控制原則工作的裝置。控制是在檢測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，如恒電流起動(dòng)方式應(yīng)是在檢測(cè)電動(dòng)機(jī)電流的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方式應(yīng)是在檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。對(duì)于已知的SCR軟起動(dòng)裝置，它能夠感知的變量?jī)H僅是電網(wǎng)電壓、電動(dòng)機(jī)電壓、定子電流（由此可得出輸入到電動(dòng)機(jī)的有功和無功功率）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(xiàn)的控制，當(dāng)然不可能超越它的感知能力。
3  一律通過電流閉環(huán)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的合理性
任何一個(gè)被認(rèn)為是好的起動(dòng)過程，都會(huì)產(chǎn)生出相應(yīng)的電機(jī)電流I(t)、電機(jī)線電壓U(t)、電機(jī)轉(zhuǎn)速n(t)曲線。軟起動(dòng)方式若以這些好的曲線為期望值，就應(yīng)能實(shí)現(xiàn)好的起動(dòng)過程。
從原則上來看，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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(hào)應(yīng)該是容易得到的。在大多數(shù)使用場(chǎng)合，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)難以獲得，所以不應(yīng)將轉(zhuǎn)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)過程中，絕對(duì)避免出現(xiàn)開環(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(yīng)將開環(huán)帶來的負(fù)面影響限制到最小程度。事實(shí)上，好的U(t)波形會(huì)在轉(zhuǎn)速接近額定時(shí)陡然上升。如果我們不能準(zhǔn)確預(yù)知這個(gè)由緩變陡的時(shí)刻，以主觀擬定的U*(t)作為電壓閉環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，就很可能導(dǎo)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(yīng)的變化。相對(duì)而言，軟起動(dòng)過程中好的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(tái)作為起始，到轉(zhuǎn)速n接近額定值ne時(shí)，I(t)因電流開環(huán)而遞減至穩(wěn)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(jī)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(jí)智能化是指按軟起動(dòng)次數(shù)逐次自我改進(jìn)。
我們認(rèn)為，初級(jí)智能化主要是軟件開發(fā)的任務(wù)。至少要配備以下4個(gè)軟件：
(1)  軟起動(dòng)過程質(zhì)量評(píng)價(jià)軟件QE（Quality Evaluation）可以概括為“感知”、“量化”、“加權(quán)求和”、“評(píng)分”。在硬件上落實(shí)對(duì)微電子軟起動(dòng)裝置各項(xiàng)要求的可感知性的基礎(chǔ)上，將要求量化，再根據(jù)每個(gè)要求的重要程度給量化值加權(quán)，相加得到評(píng)價(jià)函數(shù)。
(2)   與相應(yīng)的軟起動(dòng)過程映射關(guān)系離線仿真軟件SPS（Soft-start Process Simulation） 為了有效地開發(fā)SPS，我們必須掌握對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別是供電電網(wǎng)的輸出阻抗，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性M(n)和負(fù)載特性Mfz(n)以及折算到電動(dòng)機(jī)的總飛輪慣量GD2。SPS的任務(wù)是在已知數(shù)學(xué)模型的前提下預(yù)測(cè)由 引起的整個(gè)軟起動(dòng)過程。它的輸入應(yīng)包括對(duì)象的數(shù)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(jī)一次軟起動(dòng)發(fā)熱量W等。
(3)  離線辨識(shí)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(shù)電動(dòng)機(jī)制造廠家均不向用戶提供其實(shí)測(cè)或設(shè)計(jì)曲線，這是令人十分遺憾和困惑的。在我們的查閱范圍內(nèi)，所有電力拖動(dòng)教材和文獻(xiàn)提供的幫助均不能使我們通過幾個(gè)已知的電動(dòng)機(jī)參數(shù)最終確定M(n)；難點(diǎn)之二是Mfz(n)的不確定性。按照負(fù)載的性質(zhì)，人們大體可以知道風(fēng)機(jī)、水泵、皮帶傳輸機(jī)、球磨機(jī)、攪拌機(jī)等的Mfz(n)的形狀，但卻很難得到Mfz(n)的確切圖形。
這樣，就提出了通過離線辨識(shí)建模的任務(wù)。
軟件MI讓微電子軟起動(dòng)裝置對(duì)象系統(tǒng)按任意方式作一次起動(dòng)，在這一過程中，采集I(t)、U(t)、Unet(t)、電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)cos1(t)等數(shù)據(jù)，結(jié)合某些已知的數(shù)據(jù)，通過不斷改進(jìn)吻合程度的方法獲取對(duì)象的數(shù)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(rèn)為，若能同時(shí)采集n(t)數(shù)據(jù)對(duì)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(quán)衡的問題。
(4)  I*(t)生成軟件IG（Instructions Generation）
軟件IG的任務(wù)是根據(jù)QE的結(jié)果，自動(dòng)生成新的I*(t)。