樊立萍，張 亮

（沈陽化工學(xué)院信息工程學(xué)院，沈陽 110142）

交流異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛、維護(hù)方便，但是異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，使配電系統(tǒng)中產(chǎn)生較大壓降，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，加速電機(jī)的老化及機(jī)械損壞；而采用軟起動(dòng)控制技術(shù)能夠抑制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，并在限制時(shí)間內(nèi)將它驅(qū)動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速［1］。軟起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流一般為額定電流的2～3倍，電網(wǎng)電壓波動(dòng)率一般在10%以內(nèi)，對其它設(shè)備的影響非常小；最大電流降低一半左右，瞬間發(fā)熱量僅為直接起動(dòng)的1／4左右，絕緣壽命會(huì)大大延長；軟起動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓可以從零起調(diào)，可完全免除過電壓傷害。軟起動(dòng)，有液阻軟起動(dòng)、磁控軟起動(dòng)和晶閘管軟起動(dòng)等方式，其中以晶閘管軟起動(dòng)方式最優(yōu)，其主電路采用晶閘管交流調(diào)壓器，用電流反饋控制使輸出電壓連續(xù)地改變來保證恒流起動(dòng)［2］。

交流異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)過程是非線性的，常規(guī)控制方法是采用傳統(tǒng)精確PID控制，這種控制方法是建立在被控對象的經(jīng)學(xué)數(shù)學(xué)模型上的，不能擺脫由非線性和參數(shù)變化帶來的影響；而且PID參數(shù)整定要求較高，很難滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，故采用傳統(tǒng)的PID控制方法往往不能達(dá)到滿意的控制效果［3］。

模糊控制作為一種有別于傳統(tǒng)控制理論的控制方法，具有不需要對象數(shù)學(xué)模型、能充分運(yùn)用控制專家的經(jīng)驗(yàn)信息及具有良好魯棒性的優(yōu)點(diǎn)。本文采用模糊控制算法，根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大??；基于MATLAB仿真軟件，實(shí)現(xiàn)交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制的模擬運(yùn)行。

1 感應(yīng)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)交流電機(jī)理論，考慮鐵心損耗的異步電機(jī)的單相靜態(tài)等值電路可以用圖1來表示。圖中的Lm為互感系數(shù)，Rm為鐵心等效電阻，它與輸入電源的頻率、磁通大小及變化率有關(guān)系。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of induction motor

磁鏈方程

電磁轉(zhuǎn)矩

其中uds、uqs、udr、uqr、Ψds、Ψqs、Ψdr和Ψqr為d、q坐標(biāo)系下感應(yīng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的電壓和磁鏈；p為時(shí)間微分算子；Lss＝Lm＋L1s；Lrr＝Lm＋L1r；Rs、Rr和L1s、L1r分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組的電阻及漏感。電機(jī)起動(dòng)電流公式

其中Us為定子相電壓；np為磁極對數(shù)；w為角頻率；RS、R′r和L1s、L′1r分別為定子、轉(zhuǎn)子電阻和漏感。

對于一般的異步電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于額定值的倍數(shù)大約為

采用軟起動(dòng)控制方法減小起動(dòng)電流，可以獲得良好的起動(dòng)效果［1］。

2 電機(jī)軟起動(dòng)原理

軟起動(dòng)是一種集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新型電機(jī)控制方式。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。

T2、T3時(shí)間點(diǎn)A組的VAS疼痛評分低于B組（P＜0.05）。同時(shí)在泵注過程中未發(fā)現(xiàn)因?yàn)樾穆蕼p慢和低血壓而導(dǎo)致泵注劑量減少的情況。見表2。

電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的主電路采用晶閘管交流調(diào)壓電路實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，晶閘管控制方式采用相位控制，控制其導(dǎo)通角。當(dāng)使用軟起動(dòng)器起動(dòng)電機(jī)時(shí)，隨著晶閘管輸出電壓的逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定的機(jī)械特性上，從而，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑起動(dòng)，降低起動(dòng)電流；待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，起動(dòng)過程結(jié)束。此時(shí)，軟起動(dòng)器可自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以便降低晶閘管的熱損耗，延長其使用壽命，提高工作效率，使電網(wǎng)避免了諧波污染。另外，根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸入電源頻率不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟起動(dòng)不僅使電動(dòng)機(jī)電壓連續(xù)平滑的增加，實(shí)現(xiàn)了升壓限流控制，而且避免了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的沖擊［4，5］。

3 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟起動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)代帶電流閉環(huán)的電子控制軟起動(dòng)器可以限制起動(dòng)電流并保持恒值，直到轉(zhuǎn)速升高后電流自動(dòng)衰減下來，其起動(dòng)時(shí)間短于直接起動(dòng)及一級(jí)減壓起動(dòng)。

圖2 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of soft－start control system

交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)由三相交流電壓源、晶閘管調(diào)壓器、同步電壓采集和異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成。其中，三相晶閘管的每一相都由兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成；同步電壓采集的信號(hào)由交流電源相電壓獲得，并作為脈沖發(fā)生器的基準(zhǔn)參照信號(hào)，確保信號(hào)的正確觸發(fā)；通過檢測獲得三相電流，經(jīng)由調(diào)節(jié)器輸出的脈沖觸發(fā)角信號(hào)送到脈沖生成器；脈沖生成器利用同步電壓信號(hào)調(diào)節(jié)相位脈沖，控制觸發(fā)角時(shí)刻和大?。?，4，6］。

3.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

在模糊控制器中，其輸入變量為交流電機(jī)定子實(shí)際輸出電流與期望值的偏差e及其偏差的變化率ec，輸出變量u為晶閘管觸發(fā)角調(diào)節(jié)量。設(shè)e和u論域均為｛－10，－6，－3，0，3，6，10｝，相應(yīng)的模糊集合為｛PB，PM，PS，P0，N0，NS，NM，NB｝，分別表示正大、正中、正小、正零、負(fù)零、負(fù)中和負(fù)大。ec論域?yàn)椋?0，－6，－3，0，3，6，10｝，相應(yīng)的模糊集為｛N，Z，P｝，分別表示負(fù)、零和正。隸屬度函數(shù)形狀對模糊控制器的性能有很大影響。當(dāng)隸屬度函數(shù)比較窄時(shí)，控制較靈敏；反之，控制較粗略和平穩(wěn)。隸屬度函數(shù)可按正態(tài)分布算得到。圖3和圖4為模糊控制器變量e（u）、ec的隸屬度函數(shù)曲線［7，8］，其中

圖3 e的隸屬度函數(shù)Fig.3 Membership functions of e

圖4 ec的隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership functions of ec

模糊推理系統(tǒng)采用Mamdani類型，即采用如下形式的模糊蘊(yùn)含關(guān)系：

if（e is A）and（ec is B）then（u is C）

模糊控制規(guī)則是模糊控制器的核心，本系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則由模糊判決采用加權(quán)平均原則獲得，即由下式計(jì)算得到模糊規(guī)則。

式中：u0為清晰化值，ui為自變量的取值，μc（ui）為對應(yīng)于ui的隸屬度。

4 仿真結(jié)果

在建立好良好的交流電機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)仿真模型基礎(chǔ)上，對控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。選用電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下。

P＝1.3 k W，Rs＝0.453Ω，Rr＝0.816Ω，Lm＝0.069 H，J＝0.089 kg·m2，基頻為50 Hz，極對數(shù)為2。

在仿真過程中，采用恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩11.87 N·m，仿真時(shí)間為3 s。并分別對交流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)控制系統(tǒng)及模糊軟起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

圖5至圖7為電機(jī)采用直接起動(dòng)方式的仿真結(jié)果；圖8至圖10為采用模糊控制方法實(shí)現(xiàn)的軟起動(dòng)控制方式的仿真結(jié)果。

圖5 直接起動(dòng)定子電流曲線Fig.5 Stator current curve under direct start

圖6 直接起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線Fig.6 Speed curve under direct start

圖7 直接起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線Fig.7 Torque curve under direct start

圖8 模糊軟起動(dòng)定子電流曲線Fig.8 Stator current curve under fuzzy soft－start

圖9 模糊軟起動(dòng)轉(zhuǎn)速曲線Fig.9 Speed curve under fuzzy soft start

圖10 模糊軟起動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線Fig.10 Torque curve under fuzzy soft start

由圖5至圖10可見，基于模糊控制方法，定子電流和轉(zhuǎn)矩在起動(dòng)瞬時(shí)沖擊量明顯減弱，變化趨于平穩(wěn)。所以采用模糊規(guī)則建立的基于模糊軟起動(dòng)控制方法，能有效抑制起動(dòng)電流，從而減少過大起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩對設(shè)備的損壞。

5 結(jié)論

仿真研究表明，采用模糊控制算法實(shí)現(xiàn)的軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，能有效降低起動(dòng)電流，且起動(dòng)過程平穩(wěn)、可靠，沖擊電流小，能達(dá)到起動(dòng)過程恒流控制的目的。

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