剪板機主電機軟起動的控制方案

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立式剪板機是上世紀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，主電機采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機串頻敏變阻器啟動方式，由于電控系統(tǒng)老化，加之繞線轉(zhuǎn)子異步電動機有機械換向器和電刷，電氣故障日漸增多，維修成本不斷上升。此臺立式剪板機的電控系統(tǒng)急待改造。

??? 近年來，電氣傳動和控制技術(shù)的發(fā)展日新月異,PLC在機械設(shè)備自動化控制中大量應(yīng)用，新型的電動機電子控制器（即軟起動器）在大功率三相異步電動機的限流起動中也開始大量應(yīng)用。由于立式剪板機主拖動電機功率為37kW，需采用起動限流措施，以減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊。考慮到繞線轉(zhuǎn)子異步電動機有機械換向器和電刷，存在故障率高的缺點，因此我們選用YH型高轉(zhuǎn)差率三相異步電動機來代替原來的YZR型繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機，同時選用軟起動器來實現(xiàn)主電機的限流起動。電控系統(tǒng)的邏輯控制采用三菱公司的FX2N型PLC完成。

2 軟起動器在立式剪板機中應(yīng)用的必要性

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

???? 圖1中詳細描繪了三種傳統(tǒng)鼠籠異步電動機降壓起動方法的速度—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)鼠籠異步電動機降壓起動方法有一個共同的缺點，即在電機起動過程切換時仍會出現(xiàn)高的電流轉(zhuǎn)矩峰值。除了星—角起動方式所需的起動設(shè)備較少外，其他方式均需笨重設(shè)備，不但體積大，而且起動能耗損失大。所有傳統(tǒng)降壓起動方式的另一個共同的缺點是它們都不能很好的調(diào)整電機的起動特性去滿足負載軟起動的要求。也就是說，雖然起動電流和起動轉(zhuǎn)矩可以被降下來，但是更高的技術(shù)指標(biāo)要求，如起動電流要求限制在某一規(guī)定值，或者電機的加速轉(zhuǎn)矩要按一定的規(guī)律變化等，卻不能達到。

圖1 三種傳統(tǒng)鼠籠異步電動機降壓起動方法的荷姓曲線

??? 上述這些問題可以通過采用新型的電動機電子控制器（即軟起動器）來加以解決。軟起動器是采用微處理器控制技術(shù)，通過調(diào)節(jié)三相晶閘管的相位角來實現(xiàn)電動機的無級降壓起動，從而避免電機起動過程中的大電流峰值?，F(xiàn)在市場上出售的軟起動器均可達到以下技術(shù)指標(biāo)：起動轉(zhuǎn)矩可在0.15～1.5Mn，起動電流可在1.5～5In之間靈活調(diào)整。由于軟起動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)點外，還具有以下有別于傳統(tǒng)降壓起動方式的特點：
??? （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和停車過程的整定參數(shù),參數(shù)設(shè)置靈活;
??? （3） 具有多種電機保護和監(jiān)視功能；
??? （4） 安裝和調(diào)試簡單；
??? （5） 保護傳動機械，避免浪涌轉(zhuǎn)矩的損害。
??? 鑒于上述多種優(yōu)點，立式剪板機主電機采用軟起動器對主機進行軟起動控制。

　3? 軟起動器的選型及其外圍線路設(shè)計

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

圖2 軟起動器外圍電路原理圖

??? 立式剪板機軟起動器外圍控制電路如圖2所示。由于軟啟動器用普通晶閘管做功率元件，它在完全開通后仍存在壓降損耗，并且伴有熱量產(chǎn)生，所以采用在軟起動器完成主機軟起動任務(wù)后，用一個旁路接觸器接入主電路，讓軟起動器退出運行。這樣做可帶來以下好處:
??? （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前已經(jīng)冷卻下來，這對于軟起動器的工作更為有利。
??? 針對立式剪板機的近似恒力矩負載特性，采用起動電流限制的軟起動方式。軟起動器PSS85/147-500L在用于起動電流限制的軟起動方式時，其端子11、12應(yīng)接入用于電流檢測的外置電流互感器，電流互感器選用安科瑞公司產(chǎn)品，訂貨號為AKH-0.66-40I-400/5。
??? 軟起動器PSS85/147-500L的端子4、5、6為起動信號輸入端。端子4、5之間用導(dǎo)線短接，端子5、6之間接入起動繼電器KA10的常開觸點。軟起動器工作時，首先進線接觸器KM6閉合，然后起動繼電器KA10發(fā)出起動信號，軟起動器以預(yù)先設(shè)定的起動曲線開始工作。軟起動器的端子7、8為故障信號繼電器的輸出常開觸點。當(dāng)軟起動器發(fā)生故障時，故障信號繼電器的常開觸點閉合，PLC檢測到故障信息后，立即切斷進線接觸器KM6，以避免故障進一步擴大。具體的故障信息可按ABB軟起動器產(chǎn)品說明書中的故障尋跡步驟進行。軟起動器的端子9、10為起動完畢信號指示繼電器。當(dāng)起動過程完成時，內(nèi)置觸點就會閉合；而停車信號發(fā)出時，內(nèi)置觸點就會打開。PLC檢測到起動完畢信號后，接觸器KM7吸合，KM6斷開，軟起動器退出運行。

4? 軟起動器的開通調(diào)試

??? 立式剪板機為近似恒力矩負載特性，因此軟起動器采用起動電流限制的軟起動方式。它的開通調(diào)試按以下步驟進行：
??? （1） 仔細檢查軟起動器的主回路和控制回路，看有無接線錯誤；
??? （2） 把軟起動器前面板上用于選擇電動機連接方式的開關(guān)S1撥在電動機“外接”位置；
??? （3） 比照ABB軟起動器產(chǎn)品說明書第4節(jié)—不同應(yīng)用的基本設(shè)定中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，將軟起動器前面板上的起動斜坡時間旋鈕設(shè)為10s、起動電流限制旋鈕設(shè)為3倍；
??? （4） 主回路送電后，控制系統(tǒng)給出軟起動信號，主電機起動。為了獲得最佳的起動參數(shù)，可以重復(fù)試驗。最后，立式剪板機軟起動器的起動斜坡時間設(shè)定為6s、起動電流限制設(shè)定為2.8倍。
??? 在軟起動器的開通調(diào)試階段，為了獲得最佳的起動參數(shù)，因為重復(fù)試驗，從而造成起動次數(shù)大大增加，為此，必須注意以下問題：
??? ● 軟起動器電控柜的冷卻風(fēng)扇要一直運轉(zhuǎn)，以便于軟起動器中的功率晶閘管順利散熱，降低結(jié)溫；
??? ● 在每次起動之間應(yīng)當(dāng)留有10～15min的間隔，以便于讓軟起動器中的功率晶閘管冷卻下來，從而避免軟起動器因為過熱而報警。

5? 結(jié)束語

??? 隨著計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)在電氣控制領(lǐng)域的進一步發(fā)展，軟起動器的性能也不斷提高，功能日益強大，它在工業(yè)現(xiàn)場大功率電動機軟起動中的應(yīng)用也日趨廣泛。本文介紹了利用ABB軟起動器，來實現(xiàn)立式剪板機主電機的軟起動。經(jīng)過一年多時間的運行觀察，整機電控系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，運行穩(wěn)定，操作靈活。立式剪板機的電控系統(tǒng)還涉及到PLC等器件的自動控制，限于篇幅，均未討論。