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软起动方式

信息时间：2006-09-07 信息来源：

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1引言
    本文旨在进一步阐明对软起动方式的观点，并对于一些文章中关于软件起动方式的说法，提出质疑。
2软起动方式的本质属性
    讨论软起动方式时，第一要说清楚的是软起动装置的控制机理：它是开环控制还是闭环控制，若是后者，它又是什么物理量闭环的系统，第二要说清楚的是反馈物理量是用什么传感手段检测到的，第三要说清楚的是闭环控制期望（基准）时间曲线形状是怎样设计和产生的。这3个问题说清楚了，软起动方式的本质属性就明白无误了。
　　基于这种认识，我把‘电压斜坡软起动’理解为斜坡状电压时间曲线为期望曲线的电压开环或闭环软起动方式，‘转矩控制起动’理解为以电动机某转矩时间 曲线为期望曲线的转矩开环或闭环软起动方式，‘恒流软起动’理解为以不变电流值为期望值的电流开环或闭环软起动方式。
    由于反馈控制抵御环境变化和干扰的能力强，闭环控制已成为软起动电控系统的主流控制方式，因而闭环控制也是人们在研究软起动方式时关心的重点。 3电动机的各物理变量的映射关系在转速n=const.条件下，电动机电压U1和电流I1，和电磁转矩T，和功率因数cosφ 1，都是互相对应的。某一软起动过程对应的电动机电压时间曲线U1（t）是某个形状，在频率和电动机温度不变的条件下，它的U1（t）的形状就一定是一个与之相应的形状，就不会是另外的形状。T(t)，cosφ1等等亦然。
    这就是客观存在着的电动机各物理变量之间的对应关系，我们称之为‘映射关系’。映射关系是不以软起动方式为转移的电动机属性。软起动过程可以用某一物理变是（例如电动机转速）的时间曲线描述。一般说来，某个特定的软起动过程并不是某种软起动方式所专有。以晶闸管软起动装置为例，装置对于输出的控制是通过唯一的控制手段（触发角α）完成的。软起动过程可以用一条SCR触发角α的时间曲线α（t）描述，不论采用什么软起动方式，只要实现了同一的α（t），也就实现了同一的软起动过程.因此，我就不认同《交流异步电机软起动及优化节能控制技术研究》（以下简称《软起动研究》）的观点，它在‘几种起动方式’的讨论中认定某种软起动方式是起动时间长的，某种软起动方式是适合什么负荷的。例如，它认定‘限流软起动’一定就‘起动时间长’，认定‘双斜坡软起动’就一定‘起动电流大’和‘起动时间较短’。认定‘电压控制起动’是‘最优的轻载软起动方式’。我注意到，持类似观点的文章不少。
　　我认为，‘限流量软起动’起动时间的长短与限流值大小密切相关：限流值大，则起动时间短，反之则长。‘双斜坡软起动’与不一定‘起动电流大’和‘起动时间较短’，斜坡陡度大则然，斜坡陡度缓则不然。 4不同软起动方式的比较标准不同软起动方式之间是可以和需要作比较的。
本文提出以下3条标准：
    4.1在负载，电网和环境等软起动外在条件变化时，对于变化的抵抗能力软起动的典型负载是各种风机和泵，其负载转矩的大小受阀门开度，传动机械润滑情况变化的影响。电网电压和电网短路容量也是变化的，共网负载加重、加多，在电网调压系统不起作用的条件下，电网电压和短路容量都会有所减小，在调压系统起作用的条件下，电网电压不变而电网短路容量反而会有所增加。电动机绕组和铁芯温度的增高会引起电动机数学模型参数的变化。凡此等等，均可以概之为‘软起动外在条件的变化’。在变化发生以后，描述软起动过程的所有变量（电压、电流、转矩、转速等）的时间曲线都会偏离其原来的曲线。其中，偏离最小的是系统的反馈变量曲线。比方说，转矩闭环控制软起动方式因为外在条件变化所引起的电动机转矩时间曲线对于变化前曲线的偏移是比较小的，比其它变量的偏移小。对于特定的工程实际，我们对软起动过程中各相关物理量的关切程度是不相同的。我们将最关切的曲线偏移小的软起动方式视为‘变化抵抗能力’强。
    4.2不同的软起动方式反馈变量物理现实的难度
    反馈变量的物理现实指的是传感、测量和安装手段。比方说，在调速控制广为采用的转速闭环在软起动中就因为转速传感器的不易落实而很少被采用。配套传感器直接影响到软起动产品的成本、寿命、抗老化、抗腐蚀、安装、耐湿、耐温、耐寒、抗振等等。
    4.3输入到软起动装置的基准的设计和实现难度
    一个好的软起动过程总是在一个好的输入基准的‘指挥’下完成的，不同反馈闭环的‘好基准’的形状是不同的。‘好基准’的形状是需要人们设计的，其设计难度因软起动方式而异设计好了要产生出来也会有难易之分。
    需要强调的是：软起动时间长短，软起动电流大小，能否带动重载等等都没有被列为比较标准。其所以如此，是因为这些都不是软起动方式的本质特征。 5对命题‘转矩控制起动’是‘最优的重载起动方式’的质疑 《软起动研究》认为，如果采用‘转矩控制起动’这样一种‘最优的重载起动方式’（它已经包含或固化在他们研制成功的‘智能马达优化控制器（IMOC）’里了），使软起动装置按‘起动转矩线性上升的规律控制输出电压’就可以‘起动平滑、柔性好，对拖动系统有利’，‘减少对电网的冲击’。［4］的措辞大同小异：‘转矩控制起动’‘将电动机的起动转矩由小到大线性上升’，‘起动平滑、柔性好，对拖动系统有更好的保护’，‘降低电机起动对电网的冲击’，‘是最优的重载起动方式’。我的看法是：
    5.1能否胜任‘重载’与软起动方式无关。
   ‘重载’需要电动机在低转速下产生出大的起动转矩，为此，办起动装置必须能够使电动机定子绕组流过足够大的电流。这与选用什么软起动方式是没有关系的。如果电动机的U1（或I1）不够大，不论采用什么软起动方式，软起动方式都会是不成功的。反之，只要U1（或I1）够大，‘起动转矩线性上升的规律控制输出电压’，‘起动平滑、柔性好’，‘减少对电网的冲击’等等，通过其它的闭环控制，在赋予它一个较好形状的基准输入时间曲线以后，同样可以实现。
    5.2在认定命题时的两个不可回避的问题：第一个不可回避的问题是：‘转矩控制起动’是不是以电动机电磁转矩为反馈变量的闭环系统。但是《软起动研究所》和［4］均予以回避。不过，如果‘转矩控制起动’要在‘对软起动外在条件变异的抵抗能力’方面胜出的话，它只能是以电动机电磁转矩为反馈变量的闭环系统。
    第二个不可回避的问题是：‘转矩控制起动’是怎样克服电动机电磁转测量难题的。电磁转矩的直接测量需要借特制的电动机电磁转矩传感器实现。目前似无定型产品。电磁转矩的间接测量可以以下式1或式2为依据：T=Ctj φm I"2 COSφ"2 (式1) 　　T=(3/Ω0)I"2(R"2/S)（式2）　　但是，想借助这些公式换算出电动机电磁转矩T是困难的。因为用式1需要获知I"2 φm和cosφ"2 的信息（其中，cosφ"2 难以测量），用式2需要获知电动机转速I"2 R"2 和s（其中，难以测量）的信息。而且，由于R"2 事实上不是常数，更给式2的应用带来了麻烦。
    5.3在软起动方式之间作比较时，应该按照本文‘三’的三条标准。‘转矩控制起动’（如果确实是转矩闭环）的优势在于电磁转矩的守恒性，劣势在于硬件和软件的复杂化。
    我与一些文章作者在软起动方式的不同观点可能是源于不同的立论方法。我不认为以某一公司某一型号产品为立论的基石是一个好的立论方法，尽管它能够照顾某一型号产品的个别特点，对于选型和菜单调用方面有一些指导意义和参考价值。但是，因为立足点不高，不免以偏概全，似是而非。另一种立论方法是从控制理论的基本概念出发，探讨各种软起动方式的本质属性。我的近作《论电流闭环软起动的合理性》以及当前的这一篇都是在这方面的一个尝试。