高越农

1  引言
软起动装置可分为液态的和固态的两大类。
固态软起动装置可分为微电子的和非微电子的两类。本文讨论微电子软起动装置的初级智能化问题。微电子软起动装置分为以晶闸管SCR为限流电力电子器件的和以磁饱和电抗器为限流器件的两个分支。本文的所有论点对这两个分支来说均是适用的。
微电子软起动装置是电气传动电力电子装置的一种，它具有该类装置的共性，即将电能转化成电动机的动能。其工作状况受到环境和外界（电网和负载等）的影响，受到相关器件（电动机、变压器等）承受能力的制约。
微电子软起动装置本身的特点是：① 工作是论“次数”的，每次工作周期通常只有几十秒钟，软起动过程总是在电动机转速接近其额定值时结束。② 每次软起动的外界条件（指电网和负载情况）大体是相同的。例如除尘风机每次都同样在关风门的条件下起动，焦化车间的冷却水泵的扬程每次均大体相同，因此，软起动过程具有较好的重复性。③ 人们通常只关心软起动的成败，不太关心它的好坏，不很在意软起动中出现的一些毛病，例如对电网污染大、噪声大等，忽略对软起动过程质量的评估和比较。这种不关心虽然事出有因，但毕竟是不利于技术进步的。
软起动的对象是指电网―电动机―负载。对象的情况以及生产工艺对对象的要求是软起动装置选型以及起动方式的选取或制订的出发点。
起动方式指软起动装置按什么原则、规律将电动机从零速升至额定转速。它的起动方式有斜坡式
电压起动方式、恒流或限流起动方式、脉冲突跳方式等几种。为了增加产品的适应性，各软起动装置的生产厂家均提供了众多可选的起动方式。例如SIEI公司就有普通负载标准起动、高起动转矩负载、常用泵、需带突跳起动的泵、轻型传输带、重型传输带、小惯量风机、大惯量风机、往复式压缩机、螺旋式压缩机共10种。雷诺尔公司有限流起动、斜坡电压起动、转矩加突跳控制起动、转矩控制起动、电压控制起动共5种。
在控制工程界，智能控制应包括判断、推论、理解、识别、规划、学习等内涵。当今世界上很多号称“智能化”的SCR软起动装置商品，实际上只不过是微电子化的电力电子装置，并不具备“智能化”的基本特征。
2  初级智能化的装置
(1)  它应该含有一个能够对软起动过程作出评价的体系。一个好的软起动过程应该是对电网影响（包括谐波公害）小、起动耗时短、冲击电流冲量小、机械冲击力小、噪声小、电动机温升小的过程。
智能化软起动装置应该有一些内置的和一些用户可输入的衡量指标，以便对往次的软起动方式自动作出“优、良、及格、差”的评分，为下一次的软起动方式提供必要的参考。
(2)  它必须能对对象（电网―电动机―负载）作至少是离线的辨识。在软起动装置第一次投运时或者在对象情况有了大的变化以后，应能通过经验的积累辨识对象的数学模型，包括电网、电动机的基本参数，特别是电动机的 和 以及负载转矩Mfz是转速的什么函数。这将成为修改起动方式的依据。
(3)  它应是能够按照反馈或前馈控制原则工作的装置。控制是在检测的基础上实现的，如恒电流起动方式应是在检测电动机电流的基础上实现，转矩起动方式应是在检测电动机转矩基础上实现。对于已知的SCR软起动装置，它能够感知的变量仅仅是电网电压、电动机电压、定子电流（由此可得出输入到电动机的有功和无功功率）以及若干点的温度和时间。SCR软起动装置所能实现的控制，当然不可能超越它的感知能力。
3  一律通过电流闭环实现软起动的合理性
任何一个被认为是好的起动过程，都会产生出相应的电机电流I(t)、电机线电压U(t)、电机转速n(t)曲线。软起动方式若以这些好的曲线为期望值，就应能实现好的起动过程。
从原则上来看，以好的I(t)、U(t)、n(t)折合为给定电压I*(t)、U*(t)、n*(t)输入到软起动装置中，让装置按电流、电压、转速闭环工作，就可以获得好的起动效果。
但是，作者推荐以I*(t)为转入的电流闭环软起动方式。理由如下：
①  闭环的反馈信号应该是容易得到的。在大多数使用场合，电动机的转速反馈信号难以获得，所以不应将转速闭环控制视为合理的软起动方式。
②  在整个闭环软起动过程中，绝对避免出现开环是不容易做到的，也是不必要的。在选择起动方式时，应将开环带来的负面影响限制到最小程度。事实上，好的U(t)波形会在转速接近额定时陡然上升。如果我们不能准确预知这个由缓变陡的时刻，以主观拟定的U*(t)作为电压闭环的基准信号，就很可能导致电流I(t)“憋住”或冲击。
③  外界条件的变化会使好的I(t)、U(t)、n(t)的波形有相应的变化。相对而言，软起动过程中好的I(t)波形比较容易把握，它总是以一个不带突跳或带突跳的平台作为起始，到转速n接近额定值ne时，I(t)因电流开环而递减至稳定值。
④  软起动实质是限电流起动。直接起动的一切危害（包括机械力、谐波等）均源于电流冲击。电流闭环控制从根本上确保了软起动的质量。
4  智能必须的软件
这里，初级智能化是指按软起动次数逐次自我改进。
我们认为，初级智能化主要是软件开发的任务。至少要配备以下4个软件：
(1)  软起动过程质量评价软件QE（Quality Evaluation）可以概括为“感知”、“量化”、“加权求和”、“评分”。在硬件上落实对微电子软起动装置各项要求的可感知性的基础上，将要求量化，再根据每个要求的重要程度给量化值加权，相加得到评价函数。
(2)   与相应的软起动过程映射关系离线仿真软件SPS（Soft-start Process Simulation） 为了有效地开发SPS，我们必须掌握对象的数学模型，特别是供电电网的输出阻抗，电动机的机械特性M(n)和负载特性Mfz(n)以及折算到电动机的总飞轮惯量GD2。SPS的任务是在已知数学模型的前提下预测由 引起的整个软起动过程。它的输入应包括对象的数学模型和既定的 ，输出包括I(t)、U(t)、n(t)、网压Unet(t)、M(t)、Mfz(t)、电动机一次软起动发热量W等。
(3)  离线辨识软件MI（Model Identification）
在建模中，难点之一是如何得到M(n)，绝大多数电动机制造厂家均不向用户提供其实测或设计曲线，这是令人十分遗憾和困惑的。在我们的查阅范围内，所有电力拖动教材和文献提供的帮助均不能使我们通过几个已知的电动机参数最终确定M(n)；难点之二是Mfz(n)的不确定性。按照负载的性质，人们大体可以知道风机、水泵、皮带传输机、球磨机、搅拌机等的Mfz(n)的形状，但却很难得到Mfz(n)的确切图形。
这样，就提出了通过离线辨识建模的任务。
软件MI让微电子软起动装置对象系统按任意方式作一次起动，在这一过程中，采集I(t)、U(t)、Unet(t)、电动机功率因数cos1(t)等数据，结合某些已知的数据，通过不断改进吻合程度的方法获取对象的数学模型。
该软件的输出既包括M(n)和Mfz(n)，还包括电网输出阻抗Znet、ΣGD2等。
我们认为，若能同时采集n(t)数据对建模精度将是大有好处的。但是，从硬件上落实可能会遇到麻烦，是否采集n(t)是一个值得权衡的问题。
(4)  I*(t)生成软件IG（Instructions Generation）
软件IG的任务是根据QE的结果，自动生成新的I*(t)。