方長(zhǎng)全，陳 剛，陳 靜，袁佑新，楊小勇，潘辛敏

(1.武漢理工大學(xué)武漢同力機(jī)電有限公司，湖北武漢430070;2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢430070;3.溫州特種設(shè)備檢測(cè)中心，浙江 溫州325027)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電機(jī)的大型化帶來了一系列的問題，如啟動(dòng)沖擊大、啟動(dòng)力矩高、啟動(dòng)時(shí)功率因數(shù)低等，其中交流電機(jī)的啟動(dòng)一直是人們關(guān)注的課題。

目前國(guó)內(nèi)有相關(guān)產(chǎn)品，如西普公司的STR、先導(dǎo)倍爾公司的RQD－D7等，實(shí)現(xiàn)的功能有:電壓斜坡啟動(dòng)、恒電流啟動(dòng)、軟停車、自由停車、過電流、三相不平衡、過熱、缺相保護(hù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和軟啟動(dòng)參數(shù)設(shè)置。也有相關(guān)專利，如低壓電動(dòng)機(jī)智能軟啟動(dòng)補(bǔ)償控制裝置、高壓軟啟動(dòng)器晶閘管串聯(lián)裝置等［1－2］。然而這些產(chǎn)品和專利也存在明顯的不足，如大部分軟啟動(dòng)器僅適用于低壓電機(jī)啟動(dòng)，而高壓軟啟動(dòng)器一般采用在主回路直接串連晶閘管的方案，晶閘管的耐壓要求高限制了其適用范圍［3］，且軟啟動(dòng)時(shí)沒有無功補(bǔ)償功能。

為此，筆者曾發(fā)明了一種電機(jī)的軟啟動(dòng)裝置［4］，并研制了磁控式軟啟動(dòng)裝置，該裝置是將可變電抗器串接在主回路中，通過調(diào)節(jié)串接在電抗器二次側(cè)的晶閘管的導(dǎo)通角，來調(diào)節(jié)電抗器的阻抗，從而調(diào)節(jié)電抗器的分壓，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)啟動(dòng)電流的目的。這種方案不受晶閘管耐壓能力的限制，擴(kuò)大了磁控式軟啟動(dòng)裝置的適用范圍，降低了成本。但是在多年的運(yùn)行實(shí)踐中，筆者發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)時(shí)功率因數(shù)過低，需要另外增加無功補(bǔ)償裝置。為此，開發(fā)了一種集軟啟動(dòng)和無功補(bǔ)償于一體的軟啟動(dòng)裝置。

1 總體方案設(shè)計(jì)

基于可變電抗器的無功補(bǔ)償軟啟動(dòng)裝置由電源投切裝置、可變電抗器1 KL、功率變換器、無功補(bǔ)償電容組和控制系統(tǒng)等組成，其組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于可變電抗器的無功補(bǔ)償軟啟動(dòng)裝置的組成結(jié)構(gòu)圖

電源投切裝置包括高壓隔離開關(guān)、熔斷器和接觸器;無功補(bǔ)償電容組由一組電容容量不同的電容器并聯(lián)3C1～3Cn組成，每一個(gè)電容器支路上都串聯(lián)一個(gè)電容投切接觸器3KM1～3KMn和熔斷器3FS1～3FSn;控制系統(tǒng)主要由電能信號(hào)處理模塊、控制器、脈沖觸發(fā)輸出板和中間繼電器組等組成。

2 軟啟動(dòng)裝置的配置與工作原理

2.1 軟啟動(dòng)裝置的配置

隔離開關(guān)用于隔離高壓電源，保證安全檢修，并能夠通斷一定的電流，常被工業(yè)上采用。斷路器對(duì)電源線路實(shí)行保護(hù)，當(dāng)它們發(fā)生嚴(yán)重的過載、短路及欠壓等故障時(shí)能自動(dòng)切斷電路。

功率變換器通過直接控制可變電抗器二次側(cè)線圈的電流，進(jìn)而控制可變電抗器的電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)［5］。功率變換器由兩組反并聯(lián)的晶閘管組成，其中晶閘管可采用MTC型號(hào)，根據(jù)需要確定電流和電壓等級(jí)。

電容器組由快速熔斷器、電容投切接觸器和電容器組成。其中快速熔斷器在電路電流過載時(shí)，其熔絲在焊點(diǎn)的作用下，快速發(fā)熱，迅速斷開熔絲，保護(hù)其他器件。電容投切接觸器同樣能實(shí)現(xiàn)電力的開斷，控制其容器的投入和切除，區(qū)別于之前交流接觸器的是這種接觸器能有效降低浪涌沖擊對(duì)電容的影響，延長(zhǎng)電容器的使用壽命［6］。快速熔斷器可采用RS32系列熔斷器，電容接觸器可采用LC1D.K系列，電容器可采用CZ82系列的油浸電容。

電能信號(hào)處理模塊選用交流電路參數(shù)采集模塊WB1831BX5，該模塊采用高速DSP和MCU控制器，高速采集三相電壓和三相電流并計(jì)算電壓、電流和功率因數(shù)等參數(shù)，且有RS485通信接口。

控制器通過RS485通信接口接收電力參數(shù)［7］，根據(jù)功率因數(shù)大小動(dòng)態(tài)地選擇投入或切除電容器的組數(shù)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，并完成所有的控制功能［8］?？刂破骺蛇x取單片機(jī)、DSP或PLC等進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。筆者采用西門子S7－200 CPU226來設(shè)計(jì)控制器，配置的觸摸屏是北京昆侖通態(tài)生產(chǎn)的TPC7062K。

中間繼電器組根據(jù)開關(guān)量輸出點(diǎn)數(shù)配置，每一路開關(guān)量配一中間繼電器HH54P，并設(shè)有輸出過電壓抑阻容保護(hù)。

脈沖觸發(fā)輸出板選用西安宏宇公司生產(chǎn)的RSC6F－1觸發(fā)板。

2.2 軟啟動(dòng)裝置的工作原理

通過閉合高壓隔離開關(guān)和熔斷器給基于可變電抗的無功補(bǔ)償軟啟動(dòng)裝置上電。電機(jī)啟動(dòng)前，通過控制器閉合充電接觸器2KM1對(duì)電容器組充電。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過控制器斷開充電接觸器2KM1，閉合補(bǔ)償接觸器2KM2，閉合啟動(dòng)接觸器1KM1，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng);當(dāng)電機(jī)完成軟啟動(dòng)過程后，則運(yùn)行接觸器1KM2合上，啟動(dòng)接觸器1KM1斷開;在啟動(dòng)和運(yùn)行過程，電能信號(hào)處理模塊對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出電網(wǎng)的電壓、電流和功率因數(shù)等電力參數(shù)［9］，控制器根據(jù)計(jì)算得到的功率因數(shù)大小來選擇投入或切除最合適的電容器組，動(dòng)態(tài)地控制電容接觸器的吸合與斷開，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。同理，當(dāng)電機(jī)停車時(shí)，先合上啟動(dòng)接觸器1KM1，運(yùn)行接觸器1KM2斷開，電機(jī)進(jìn)行軟停車;電機(jī)完成停車過程后，開啟啟動(dòng)接觸器1KM1，補(bǔ)償接觸器2KM2斷開，電機(jī)處于停車狀態(tài)。

3 控制器的PLC軟件設(shè)計(jì)

筆者采用西門子S7－200PLC設(shè)計(jì)基于可變電抗器的無功補(bǔ)償軟啟動(dòng)裝置的控制器。采用PLC中比較常用的梯形圖編程，在PLC軟啟動(dòng)程序設(shè)計(jì)［10］的基礎(chǔ)上，增加從電能信號(hào)處理模塊讀取電量參數(shù)、無功補(bǔ)償電容器組投切兩大功能。主要包括主程序、初始化子程序、報(bào)警子程序、軟啟動(dòng)子程序、軟停車子程序、電能參數(shù)讀取子程序和無功補(bǔ)償電容器組投切子程序。

主程序主要包含軟起、軟停、調(diào)試允許條件和各種接觸器的合分閘條件的判斷，只有滿足一系列的條件才會(huì)進(jìn)入相應(yīng)的子程序;初始化子程序主要用于PLC上電后、軟啟動(dòng)開始前以及軟停結(jié)束后的變量初始化、參數(shù)賦值;電能參數(shù)讀取子程序通過RS485總線讀取從站設(shè)備WB1831BX5的參數(shù);無功補(bǔ)償電容器組投切子程序根據(jù)檢測(cè)得到的功率因數(shù)大小，動(dòng)態(tài)地控制電容接觸器的吸合與斷開，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。

采用MCGS嵌入式組態(tài)軟件進(jìn)行觸摸屏的人機(jī)界面HMI設(shè)計(jì)，在原有基礎(chǔ)上，增加電能參數(shù)顯示、無功補(bǔ)償電容器組投切控制兩個(gè)子界面。

4 結(jié)論

具有無功補(bǔ)償?shù)母邏很泦?dòng)裝置研制成功后，投入11 kW、額定電流為23 A的繞線式風(fēng)機(jī)帶載的軟啟動(dòng)運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果是在保持原有軟啟動(dòng)性能前提下，電流調(diào)節(jié)平滑、快速、有效、可靠性高，功率因數(shù)由0.2 ～0.4 提高到0.9 以上。

［1］張衛(wèi)平，朱慧琳，龍興硯.低壓電動(dòng)機(jī)智能軟啟動(dòng)補(bǔ)償控制裝置:中國(guó)，ZL200720073919.9［P］.2008 －06－18.

［2］冷嚴(yán)冬，劉志強(qiáng)，丁兆國(guó)，等.高壓軟啟動(dòng)器晶閘管串 聯(lián) 裝 置:中 國(guó)，ZL200620021046.2［P］.2007－06－20.

［3］黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:37－41.

［4］袁佑新，陳靜，夏澤中.一種電機(jī)的軟啟動(dòng)裝置:中國(guó)，ZL200620096602.2［P］.2007 －05 －23.

［5］袁佑新，肖義平.可變電抗器的阻抗變換機(jī)理研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(3):133 －135.

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［7］劉新華.基于Modbus協(xié)議PLC通信的模塊化實(shí)現(xiàn)［J］.電氣自動(dòng)化，2001，4(1):15 －18.

［8］朱毅，駱和平.低壓電網(wǎng)無功補(bǔ)償方式和補(bǔ)償容量的選擇［J］.水利科技，2005，5(4):53 －55.

［9］吳宏波.基于GPS的輸電線路參數(shù)在線測(cè)量的研究［D］.保定:華北電力大學(xué)圖書館，2003.

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