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高越農

1  引言
軟起動裝置可分為液態的和固態的兩大類。
固態軟起動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裝置的初級智能化問題。微電子軟起動裝置分為以晶閘管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分支。本文的所有論點對這兩個分支來說均是適用的。
微電子軟起動裝置是電氣傳動電力電子裝置的一種，它具有該類裝置的共性，即將電能轉化成電動機的動能。其工作狀況受到環境和外界（電網和負載等）的影響，受到相關器件（電動機、變壓器等）承受能力的制約。
微電子軟起動裝置本身的特點是：① 工作是論“次數”的，每次工作周期通常只有幾十秒鐘，軟起動過程總是在電動機轉速接近其額定值時結束。② 每次軟起動的外界條件（指電網和負載情況）大體是相同的。例如除塵風機每次都同樣在關風門的條件下起動，焦化車間的冷卻水泵的揚程每次均大體相同，因此，軟起動過程具有較好的重復性。③ 人們通常只關心軟起動的成敗，不太關心它的好壞，不很在意軟起動中出現的一些毛病，例如對電網污染大、噪聲大等，忽略對軟起動過程質量的評估和比較。這種不關心雖然事出有因，但畢竟是不利于技術進步的。
軟起動的對象是指電網―電動機―負載。對象的情況以及生產工藝對對象的要求是軟起動裝置選型以及起動方式的選取或制訂的出發點。
起動方式指軟起動裝置按什么原則、規律將電動機從零速升至額定轉速。它的起動方式有斜坡式
電壓起動方式、恒流或限流起動方式、脈沖突跳方式等幾種。為了增加產品的適應性，各軟起動裝置的生產廠家均提供了眾多可選的起動方式。例如SIEI公司就有普通負載標準起動、高起動轉矩負載、常用泵、需帶突跳起動的泵、輕型傳輸帶、重型傳輸帶、小慣量風機、大慣量風機、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、斜坡電壓起動、轉矩加突跳控制起動、轉矩控制起動、電壓控制起動共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、學習等內涵。當今世界上很多號稱“智能化”的SCR軟起動裝置商品，實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  初級智能化的裝置
(1)  它應該含有一個能夠對軟起動過程作出評價的體系。一個好的軟起動過程應該是對電網影響（包括諧波公害）小、起動耗時短、沖擊電流沖量小、機械沖擊力小、噪聲小、電動機溫升小的過程。
智能化軟起動裝置應該有一些內置的和一些用戶可輸入的衡量指標，以便對往次的軟起動方式自動作出“優、良、及格、差”的評分，為下一次的軟起動方式提供必要的參考。
(2)  它必須能對對象（電網―電動機―負載）作至少是離線的辨識。在軟起動裝置第一次投運時或者在對象情況有了大的變化以后，應能通過經驗的積累辨識對象的數學模型，包括電網、電動機的基本參數，特別是電動機的 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。控制是在檢測的基礎上實現的，如恒電流起動方式應是在檢測電動機電流的基礎上實現，轉矩起動方式應是在檢測電動機轉矩基礎上實現。對于已知的SCR軟起動裝置，它能夠感知的變量僅僅是電網電壓、電動機電壓、定子電流（由此可得出輸入到電動機的有功和無功功率）以及若干點的溫度和時間。SCR軟起動裝置所能實現的控制，當然不可能超越它的感知能力。
3  一律通過電流閉環實現軟起動的合理性
任何一個被認為是好的起動過程，都會產生出相應的電機電流I(t)、電機線電壓U(t)、電機轉速n(t)曲線。軟起動方式若以這些好的曲線為期望值，就應能實現好的起動過程。
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)輸入到軟起動裝置中，讓裝置按電流、電壓、轉速閉環工作，就可以獲得好的起動效果。
但是，作者推薦以I*(t)為轉入的電流閉環軟起動方式。理由如下：
①  閉環的反饋信號應該是容易得到的。在大多數使用場合，電動機的轉速反饋信號難以獲得，所以不應將轉速閉環控制視為合理的軟起動方式。
②  在整個閉環軟起動過程中，絕對避免出現開環是不容易做到的，也是不必要的。在選擇起動方式時，應將開環帶來的負面影響限制到最小程度。事實上，好的U(t)波形會在轉速接近額定時陡然上升。如果我們不能準確預知這個由緩變陡的時刻，以主觀擬定的U*(t)作為電壓閉環的基準信號，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，軟起動過程中好的I(t)波形比較容易把握，它總是以一個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，I(t)因電流開環而遞減至穩定值。
④  軟起動實質是限電流起動。直接起動的一切危害（包括機械力、諧波等）均源于電流沖擊。電流閉環控制從根本上確保了軟起動的質量。
4  智能必須的軟件
這里，初級智能化是指按軟起動次數逐次自我改進。
我們認為，初級智能化主要是軟件開發的任務。至少要配備以下4個軟件：
(1)  軟起動過程質量評價軟件QE（Quality Evaluation）可以概括為“感知”、“量化”、“加權求和”、“評分”。在硬件上落實對微電子軟起動裝置各項要求的可感知性的基礎上，將要求量化，再根據每個要求的重要程度給量化值加權，相加得到評價函數。
(2)   與相應的軟起動過程映射關系離線仿真軟件SPS（Soft-start Process Simulation） 為了有效地開發SPS，我們必須掌握對象的數學模型，特別是供電電網的輸出阻抗，電動機的機械特性M(n)和負載特性Mfz(n)以及折算到電動機的總飛輪慣量GD2。SPS的任務是在已知數學模型的前提下預測由 引起的整個軟起動過程。它的輸入應包括對象的數學模型和既定的 ，輸出包括I(t)、U(t)、n(t)、網壓Unet(t)、M(t)、Mfz(t)、電動機一次軟起動發熱量W等。
(3)  離線辨識軟件MI（Model Identification）
在建模中，難點之一是如何得到M(n)，絕大多數電動機制造廠家均不向用戶提供其實測或設計曲線，這是令人十分遺憾和困惑的。在我們的查閱范圍內，所有電力拖動教材和文獻提供的幫助均不能使我們通過幾個已知的電動機參數最終確定M(n)；難點之二是Mfz(n)的不確定性。按照負載的性質，人們大體可以知道風機、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，就提出了通過離線辨識建模的任務。
軟件MI讓微電子軟起動裝置對象系統按任意方式作一次起動，在這一過程中，采集I(t)、U(t)、Unet(t)、電動機功率因數cos1(t)等數據，結合某些已知的數據，通過不斷改進吻合程度的方法獲取對象的數學模型。
該軟件的輸出既包括M(n)和Mfz(n)，還包括電網輸出阻抗Znet、ΣGD2等。
我們認為，若能同時采集n(t)數據對建模精度將是大有好處的。但是，從硬件上落實可能會遇到麻煩，是否采集n(t)是一個值得權衡的問題。
(4)  I*(t)生成軟件IG（Instructions Generation）
軟件IG的任務是根據QE的結果，自動生成新的I*(t)。