剪板机主电机软起动的控制方案

1 引言

    中铁株洲桥梁有限公司用于窄钢板下料的主要生产设备—25MN立式剪板机是上世纪90年代初生产的老设备，其电控系统为传统的继电器逻辑控制，主电机采用绕线转子异步电动机串频敏变阻器启动方式，由于电控系统老化，加之绕线转子异步电动机有机械换向器和电刷，电气故障日渐增多，维修成本不断上升。此台立式剪板机的电控系统急待改造。

    近年来，电气传动和控制技术的发展日新月异,PLC在机械设备自动化控制中大量应用，新型的电动机电子控制器（即软起动器）在大功率三相异步电动机的限流起动中也开始大量应用。由于立式剪板机主拖动电机功率为37kW，需采用起动限流措施，以减小起动电流对电网的冲击。考虑到绕线转子异步电动机有机械换向器和电刷，存在故障率高的缺点，因此我们选用YH型高转差率三相异步电动机来代替原来的YZR型绕线转子三相异步电动机，同时选用软起动器来实现主电机的限流起动。电控系统的逻辑控制采用三菱公司的FX2N型PLC完成。

2 软起动器在立式剪板机中应用的必要性

    由于立式剪板机主拖动电机功率为37kW，需采用起动限流措施，以减小起动电流对电网的冲击。众所周知，鼠笼异步电动机带载直接起动时将会产生4～8倍额定电流的起动电流，会对电网造成不利影响。容量较大的电机，一般不允许带载直接起动，需采用起动限流措施，以减小对电网的冲击。避免鼠笼异步电动机直接起动时的大电流冲击，通常的方法是采用降压起动。传统的鼠笼异步电动机降压起动方法有：星—角起动、定子串电阻起动和自耦变压器起动。附表列出了常用鼠笼异步电动机降压起动方法的起动转矩和起动电流值（Mn：额定转矩；In：额定电流）。

     图1中详细描绘了三种传统鼠笼异步电动机降压起动方法的速度—电流、速度—转矩特性曲线。由图1可以看出，上述三种传统鼠笼异步电动机降压起动方法有一个共同的缺点，即在电机起动过程切换时仍会出现高的电流转矩峰值。除了星—角起动方式所需的起动设备较少外，其他方式均需笨重设备，不但体积大，而且起动能耗损失大。所有传统降压起动方式的另一个共同的缺点是它们都不能很好的调整电机的起动特性去满足负载软起动的要求。也就是说，虽然起动电流和起动转矩可以被降下来，但是更高的技术指标要求，如起动电流要求限制在某一规定值，或者电机的加速转矩要按一定的规律变化等，却不能达到。

图1 三种传统鼠笼异步电动机降压起动方法的荷姓曲线

    上述这些问题可以通过采用新型的电动机电子控制器（即软起动器）来加以解决。软起动器是采用微处理器控制技术，通过调节三相晶闸管的相位角来实现电动机的无级降压起动，从而避免电机起动过程中的大电流峰值。现在市场上出售的软起动器均可达到以下技术指标：起动转矩可在0.15～1.5Mn，起动电流可在1.5～5In之间灵活调整。由于软起动器是采用微处理器控制技术的新型电力电子装置，除了上述的优点外，还具有以下有别于传统降压起动方式的特点：
    （1） 结构紧凑，占有空间小，容易安装在电控柜内;
    （2） 设有多种可供选择的起动和停车过程的整定参数,参数设置灵活;
    （3） 具有多种电机保护和监视功能；
    （4） 安装和调试简单；
    （5） 保护传动机械，避免浪涌转矩的损害。
    鉴于上述多种优点，立式剪板机主电机采用软起动器对主机进行软起动控制。

　3  软起动器的选型及其外围线路设计

    立式剪板机的起动过程属于带标准负载常规起动，因此软起动器的选型可以直接从其产品选型手册中查出。主电动机参数为：Pn=37kW，In=72A。查ABB公司的软起动器产品选型手册，满足电压等级400V、额定电流≥72A这一技术条件的软起动器型号为：PSS85/147-500L，其技术参数为：In=85A。

图2 软起动器外围电路原理图

立式剪板机软起动器外围控制电路如图2所示。由于软启动器用普通晶闸管做功率元件，它在完全开通后仍存在压降损耗，并且伴有热量产生，所以采用在软起动器完成主机软起动任务后，用一个旁路接触器接入主电路，让软起动器退出运行。这样做可带来以下好处:
    （1） 减少了晶闸管元件的通态损耗；
    （2） 由于晶闸管元件在下一次起动前已经冷却下来，这对于软起动器的工作更为有利。
    针对立式剪板机的近似恒力矩负载特性，采用起动电流限制的软起动方式。软起动器PSS85/147-500L在用于起动电流限制的软起动方式时，其端子11、12应接入用于电流检测的外置电流互感器，电流互感器选用安科瑞公司产品，订货号为AKH-0.66-40I-400/5。
    软起动器PSS85/147-500L的端子4、5、6为起动信号输入端。端子4、5之间用导线短接，端子5、6之间接入起动继电器KA10的常开触点。软起动器工作时，首先进线接触器KM6闭合，然后起动继电器KA10发出起动信号，软起动器以预先设定的起动曲线开始工作。软起动器的端子7、8为故障信号继电器的输出常开触点。当软起动器发生故障时，故障信号继电器的常开触点闭合，PLC检测到故障信息后，立即切断进线接触器KM6，以避免故障进一步扩大。具体的故障信息可按ABB软起动器产品说明书中的故障寻迹步骤进行。软起动器的端子9、10为起动完毕信号指示继电器。当起动过程完成时，内置触点就会闭合；而停车信号发出时，内置触点就会打开。PLC检测到起动完毕信号后，接触器KM7吸合，KM6断开，软起动器退出运行。

4  软起动器的开通调试

    立式剪板机为近似恒力矩负载特性，因此软起动器采用起动电流限制的软起动方式。它的开通调试按以下步骤进行：
    （1） 仔细检查软起动器的主回路和控制回路，看有无接线错误；
    （2） 把软起动器前面板上用于选择电动机连接方式的开关S1拨在电动机“外接”位置；
    （3） 比照ABB软起动器产品说明书第4节—不同应用的基本设定中的标准参数，将软起动器前面板上的起动斜坡时间旋钮设为10s、起动电流限制旋钮设为3倍；
    （4） 主回路送电后，控制系统给出软起动信号，主电机起动。为了获得最佳的起动参数，可以重复试验。最后，立式剪板机软起动器的起动斜坡时间设定为6s、起动电流限制设定为2.8倍。
    在软起动器的开通调试阶段，为了获得最佳的起动参数，因为重复试验，从而造成起动次数大大增加，为此，必须注意以下问题：
    ● 软起动器电控柜的冷却风扇要一直运转，以便于软起动器中的功率晶闸管顺利散热，降低结温；
    ● 在每次起动之间应当留有10～15min的间隔，以便于让软起动器中的功率晶闸管冷却下来，从而避免软起动器因为过热而报警。

5  结束语

    随着计算机技术和电力电子技术在电气控制领域的进一步发展，软起动器的性能也不断提高，功能日益强大，它在工业现场大功率电动机软起动中的应用也日趋广泛。本文介绍了利用ABB软起动器，来实现立式剪板机主电机的软起动。经过一年多时间的运行观察，整机电控系统达到了设计要求，运行稳定，操作灵活。立式剪板机的电控系统还涉及到PLC等器件的自动控制，限于篇幅，均未讨论。