剪板機(jī)主電機(jī)軟起動(dòng)的控制方案

1 引言

    中鐵株洲橋梁有限公司用于窄鋼板下料的主要生產(chǎn)設(shè)備—25MN立式剪板機(jī)是上世紀(jì)90年代初生產(chǎn)的老設(shè)備，其電控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制，主電機(jī)采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)串頻敏變阻器啟動(dòng)方式，由于電控系統(tǒng)老化，加之繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有機(jī)械換向器和電刷，電氣故障日漸增多，維修成本不斷上升。此臺(tái)立式剪板機(jī)的電控系統(tǒng)急待改造。

    近年來(lái)，電氣傳動(dòng)和控制技術(shù)的發(fā)展日新月異,PLC在機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化控制中大量應(yīng)用，新型的電動(dòng)機(jī)電子控制器（即軟起動(dòng)器）在大功率三相異步電動(dòng)機(jī)的限流起動(dòng)中也開(kāi)始大量應(yīng)用。由于立式剪板機(jī)主拖動(dòng)電機(jī)功率為37kW，需采用起動(dòng)限流措施，以減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊?？紤]到繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有機(jī)械換向器和電刷，存在故障率高的缺點(diǎn)，因此我們選用YH型高轉(zhuǎn)差率三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)代替原來(lái)的YZR型繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)，同時(shí)選用軟起動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)主電機(jī)的限流起動(dòng)。電控系統(tǒng)的邏輯控制采用三菱公司的FX2N型PLC完成。

2 軟起動(dòng)器在立式剪板機(jī)中應(yīng)用的必要性

    由于立式剪板機(jī)主拖動(dòng)電機(jī)功率為37kW，需采用起動(dòng)限流措施，以減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。眾所周知，鼠籠異步電動(dòng)機(jī)帶載直接起動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生4～8倍額定電流的起動(dòng)電流，會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成不利影響。容量較大的電機(jī)，一般不允許帶載直接起動(dòng)，需采用起動(dòng)限流措施，以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。避免鼠籠異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的大電流沖擊，通常的方法是采用降壓起動(dòng)。傳統(tǒng)的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法有：星—角起動(dòng)、定子串電阻起動(dòng)和自耦變壓器起動(dòng)。附表列出了常用鼠籠異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流值（Mn：額定轉(zhuǎn)矩；In：額定電流）。

     圖1中詳細(xì)描繪了三種傳統(tǒng)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法的速度—電流、速度—轉(zhuǎn)矩特性曲線。由圖1可以看出，上述三種傳統(tǒng)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，即在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程切換時(shí)仍會(huì)出現(xiàn)高的電流轉(zhuǎn)矩峰值。除了星—角起動(dòng)方式所需的起動(dòng)設(shè)備較少外，其他方式均需笨重設(shè)備，不但體積大，而且起動(dòng)能耗損失大。所有傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方式的另一個(gè)共同的缺點(diǎn)是它們都不能很好的調(diào)整電機(jī)的起動(dòng)特性去滿足負(fù)載軟起動(dòng)的要求。也就是說(shuō)，雖然起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以被降下來(lái)，但是更高的技術(shù)指標(biāo)要求，如起動(dòng)電流要求限制在某一規(guī)定值，或者電機(jī)的加速轉(zhuǎn)矩要按一定的規(guī)律變化等，卻不能達(dá)到。

圖1 三種傳統(tǒng)鼠籠異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)方法的荷姓曲線

    上述這些問(wèn)題可以通過(guò)采用新型的電動(dòng)機(jī)電子控制器（即軟起動(dòng)器）來(lái)加以解決。軟起動(dòng)器是采用微處理器控制技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)三相晶閘管的相位角來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)降壓起動(dòng)，從而避免電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的大電流峰值?，F(xiàn)在市場(chǎng)上出售的軟起動(dòng)器均可達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可在0.15～1.5Mn，起動(dòng)電流可在1.5～5In之間靈活調(diào)整。由于軟起動(dòng)器是采用微處理器控制技術(shù)的新型電力電子裝置，除了上述的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下有別于傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方式的特點(diǎn)：
    （1） 結(jié)構(gòu)緊湊，占有空間小，容易安裝在電控柜內(nèi);
    （2） 設(shè)有多種可供選擇的起動(dòng)和停車過(guò)程的整定參數(shù),參數(shù)設(shè)置靈活;
    （3） 具有多種電機(jī)保護(hù)和監(jiān)視功能；
    （4） 安裝和調(diào)試簡(jiǎn)單；
    （5） 保護(hù)傳動(dòng)機(jī)械，避免浪涌轉(zhuǎn)矩的損害。
    鑒于上述多種優(yōu)點(diǎn)，立式剪板機(jī)主電機(jī)采用軟起動(dòng)器對(duì)主機(jī)進(jìn)行軟起動(dòng)控制。

　3  軟起動(dòng)器的選型及其外圍線路設(shè)計(jì)

    立式剪板機(jī)的起動(dòng)過(guò)程屬于帶標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載常規(guī)起動(dòng)，因此軟起動(dòng)器的選型可以直接從其產(chǎn)品選型手冊(cè)中查出。主電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：Pn=37kW，In=72A。查ABB公司的軟起動(dòng)器產(chǎn)品選型手冊(cè)，滿足電壓等級(jí)400V、額定電流≥72A這一技術(shù)條件的軟起動(dòng)器型號(hào)為：PSS85/147-500L，其技術(shù)參數(shù)為：In=85A。

圖2 軟起動(dòng)器外圍電路原理圖

    立式剪板機(jī)軟起動(dòng)器外圍控制電路如圖2所示。由于軟啟動(dòng)器用普通晶閘管做功率元件，它在完全開(kāi)通后仍存在壓降損耗，并且伴有熱量產(chǎn)生，所以采用在軟起動(dòng)器完成主機(jī)軟起動(dòng)任務(wù)后，用一個(gè)旁路接觸器接入主電路，讓軟起動(dòng)器退出運(yùn)行。這樣做可帶來(lái)以下好處:
    （1） 減少了晶閘管元件的通態(tài)損耗；
    （2） 由于晶閘管元件在下一次起動(dòng)前已經(jīng)冷卻下來(lái)，這對(duì)于軟起動(dòng)器的工作更為有利。
    針對(duì)立式剪板機(jī)的近似恒力矩負(fù)載特性，采用起動(dòng)電流限制的軟起動(dòng)方式。軟起動(dòng)器PSS85/147-500L在用于起動(dòng)電流限制的軟起動(dòng)方式時(shí)，其端子11、12應(yīng)接入用于電流檢測(cè)的外置電流互感器，電流互感器選用安科瑞公司產(chǎn)品，訂貨號(hào)為AKH-0.66-40I-400/5。
    軟起動(dòng)器PSS85/147-500L的端子4、5、6為起動(dòng)信號(hào)輸入端。端子4、5之間用導(dǎo)線短接，端子5、6之間接入起動(dòng)繼電器KA10的常開(kāi)觸點(diǎn)。軟起動(dòng)器工作時(shí)，首先進(jìn)線接觸器KM6閉合，然后起動(dòng)繼電器KA10發(fā)出起動(dòng)信號(hào)，軟起動(dòng)器以預(yù)先設(shè)定的起動(dòng)曲線開(kāi)始工作。軟起動(dòng)器的端子7、8為故障信號(hào)繼電器的輸出常開(kāi)觸點(diǎn)。當(dāng)軟起動(dòng)器發(fā)生故障時(shí)，故障信號(hào)繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，PLC檢測(cè)到故障信息后，立即切斷進(jìn)線接觸器KM6，以避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。具體的故障信息可按ABB軟起動(dòng)器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的故障尋跡步驟進(jìn)行。軟起動(dòng)器的端子9、10為起動(dòng)完畢信號(hào)指示繼電器。當(dāng)起動(dòng)過(guò)程完成時(shí)，內(nèi)置觸點(diǎn)就會(huì)閉合；而停車信號(hào)發(fā)出時(shí)，內(nèi)置觸點(diǎn)就會(huì)打開(kāi)。PLC檢測(cè)到起動(dòng)完畢信號(hào)后，接觸器KM7吸合，KM6斷開(kāi)，軟起動(dòng)器退出運(yùn)行。

4  軟起動(dòng)器的開(kāi)通調(diào)試

    立式剪板機(jī)為近似恒力矩負(fù)載特性，因此軟起動(dòng)器采用起動(dòng)電流限制的軟起動(dòng)方式。它的開(kāi)通調(diào)試按以下步驟進(jìn)行：
    （1） 仔細(xì)檢查軟起動(dòng)器的主回路和控制回路，看有無(wú)接線錯(cuò)誤；
    （2） 把軟起動(dòng)器前面板上用于選擇電動(dòng)機(jī)連接方式的開(kāi)關(guān)S1撥在電動(dòng)機(jī)“外接”位置；
    （3） 比照ABB軟起動(dòng)器產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)第4節(jié)—不同應(yīng)用的基本設(shè)定中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，將軟起動(dòng)器前面板上的起動(dòng)斜坡時(shí)間旋鈕設(shè)為10s、起動(dòng)電流限制旋鈕設(shè)為3倍；
    （4） 主回路送電后，控制系統(tǒng)給出軟起動(dòng)信號(hào)，主電機(jī)起動(dòng)。為了獲得最佳的起動(dòng)參數(shù)，可以重復(fù)試驗(yàn)。最后，立式剪板機(jī)軟起動(dòng)器的起動(dòng)斜坡時(shí)間設(shè)定為6s、起動(dòng)電流限制設(shè)定為2.8倍。
    在軟起動(dòng)器的開(kāi)通調(diào)試階段，為了獲得最佳的起動(dòng)參數(shù)，因?yàn)橹貜?fù)試驗(yàn)，從而造成起動(dòng)次數(shù)大大增加，為此，必須注意以下問(wèn)題：
    ● 軟起動(dòng)器電控柜的冷卻風(fēng)扇要一直運(yùn)轉(zhuǎn)，以便于軟起動(dòng)器中的功率晶閘管順利散熱，降低結(jié)溫；
    ● 在每次起動(dòng)之間應(yīng)當(dāng)留有10～15min的間隔，以便于讓軟起動(dòng)器中的功率晶閘管冷卻下來(lái)，從而避免軟起動(dòng)器因?yàn)檫^(guò)熱而報(bào)警。

5  結(jié)束語(yǔ)

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)在電氣控制領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，軟起動(dòng)器的性能也不斷提高，功能日益強(qiáng)大，它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大功率電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)中的應(yīng)用也日趨廣泛。本文介紹了利用ABB軟起動(dòng)器，來(lái)實(shí)現(xiàn)立式剪板機(jī)主電機(jī)的軟起動(dòng)。經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的運(yùn)行觀察，整機(jī)電控系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行穩(wěn)定，操作靈活。立式剪板機(jī)的電控系統(tǒng)還涉及到PLC等器件的自動(dòng)控制，限于篇幅，均未討論。