楊莉媛 崔建明 凌文豪

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024；2.黑龍江海事局，哈爾濱 150010）

目前很多場(chǎng)合的電動(dòng)機(jī)使用直接起動(dòng)方式。直接起動(dòng)方式雖然簡(jiǎn)單，但是電動(dòng)機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的瞬間沖擊電流，其起動(dòng)電流有效值可高達(dá)額定電流的 4-7倍，甚至更大，對(duì)電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備都有很多的危害。

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種電力電子器件出現(xiàn)，基于晶閘管調(diào)壓原理的電機(jī)軟起動(dòng)器逐漸發(fā)展起來(lái)。電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器解決了電壓連續(xù)可調(diào)的問(wèn)題，省去接觸器、繼電器等設(shè)備，減小了設(shè)備體積，具有可控性好等優(yōu)點(diǎn)。軟起動(dòng)器是一種用于控制鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的新設(shè)備，集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能且集多種保護(hù)功能于一體的新型電機(jī)控制裝置。電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器一般以大功率雙向晶閘管構(gòu)成三相交流調(diào)壓電路，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)觸點(diǎn)降壓軟起動(dòng)、軟停車(chē)和輕載節(jié)能的目的[1-2]。

1 電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)原理

1.1 電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方式

軟起動(dòng)就是要在各方面都達(dá)到“軟”的效果，目前有三種電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法，基于變頻器的軟起動(dòng)、可控硅串聯(lián)式軟起動(dòng)以及開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)。

1）基于變頻器的軟起動(dòng)

用變頻器做軟起動(dòng)裝置其性能是非常理想的，它的電壓和頻率都能連續(xù)從零起調(diào)，保持電動(dòng)機(jī)有較小的轉(zhuǎn)差率，因此可以做到無(wú)過(guò)流，起動(dòng)力矩也大，具有很好的起動(dòng)性能。隨著變頻技術(shù)的進(jìn)步，基于變頻器的軟起動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越多[3]。

2）可控硅串聯(lián)式軟起動(dòng)

該方式的電路形式是直接由低壓軟起動(dòng)電路演變過(guò)來(lái)的，由于電源電壓高，單只可控硅不能滿(mǎn)足其耐壓要求，故選用多只可控硅串聯(lián)。這種裝置的起動(dòng)性能可達(dá)到全方位的軟起動(dòng)性能，即電壓、電流都能從零起連續(xù)可調(diào)，能完全免除對(duì)電網(wǎng)的沖出和對(duì)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備的沖擊，控制靈活，重復(fù)精度高[4]。

3）開(kāi)關(guān)變壓器式軟起動(dòng)

開(kāi)關(guān)變壓器式電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法是用開(kāi)關(guān)變壓器來(lái)隔離高壓和低壓，開(kāi)關(guān)變壓器的低壓繞組與可控硅和控制系統(tǒng)相連，通過(guò)改變其低壓繞組上的電壓來(lái)改變高壓繞組上的電壓，從而達(dá)到改變電動(dòng)機(jī)端電壓的目的，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。該起動(dòng)方式對(duì)電動(dòng)機(jī)無(wú)操作過(guò)電壓傷害，無(wú)轉(zhuǎn)矩沖擊對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊；控制靈活，重復(fù)精度高；可靠性高；功耗?。桓叽沃C波少[5]。

本文采用的電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)方式就第二種起動(dòng)方式。由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流與電動(dòng)機(jī)定子的端電壓成正比，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)定子端電壓的平方成正比，所以通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子端電壓就可以控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到即節(jié)能，又平穩(wěn)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的目的。

1.2 晶閘管輸出電壓

電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的控制要根據(jù)起動(dòng)電流的變化控制定子上所需加入的電壓，也就是晶閘管的輸出電壓，電動(dòng)機(jī)才能平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，因此清楚晶閘管輸出電壓的影響因素是十分必要的。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是可變的感性負(fù)載，功率因數(shù)角隨轉(zhuǎn)速變化而變化，則在電流續(xù)流期間晶閘管輸出的電壓也隨轉(zhuǎn)速變化。功率因數(shù)角減小，則通過(guò)這段角度的電壓也必然減小。晶閘管觸發(fā)角決定了其后面導(dǎo)通電壓的大小，觸發(fā)角越小，其后輸出的電壓就越大。一般情況下，晶閘管工作時(shí)要求對(duì)電源的正負(fù)半周進(jìn)行對(duì)稱(chēng)觸發(fā)。設(shè)電源電壓u=Us in ωt，此時(shí)，晶閘管的輸出電壓有效值為[6]

由上式可見(jiàn)，晶閘管輸出電壓UL既是觸發(fā)角α的函數(shù)，也是續(xù)流角?的函數(shù)。因此按一定的控制策略調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角α，就可以使電壓有效值UL按期望規(guī)律變化。

1.3 模糊控制

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制主要是模仿人的控制經(jīng)驗(yàn),因此模糊控制能近似地反映人的控制行為，具有很強(qiáng)的魯棒性。其實(shí)現(xiàn)形式如圖1所示。

圖1 模糊控制實(shí)現(xiàn)框圖

輸入量為給定起動(dòng)電流值igU與被檢測(cè)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流信號(hào)iqU的偏差和偏差變化率, 輸出量為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流qI。其中模糊控制器的輸出為雙向晶閘管觸發(fā)電路觸發(fā)角α的給定值aU。

2 電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的模糊控制算法的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的硬件設(shè)計(jì)

硬件電路框圖如圖2所示，它以ATMEL 公司的 AT89C51 系列單片機(jī)為核心構(gòu)成模糊控制器的硬件電路。運(yùn)算放大器 LM324（1）把檢測(cè)到的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流信號(hào)iqU變?yōu)?～5V電壓。A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809把電流給定值的模擬信號(hào)igU和檢測(cè)到的起動(dòng)電流信號(hào)分別進(jìn)行采樣變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號(hào)送給 AT89C51 單片機(jī)進(jìn)行處理。D/A 轉(zhuǎn)換器DAC0832 把 AT89C51 輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，經(jīng)運(yùn)算放大器 LM324（2）變?yōu)?0～10V 電壓信號(hào)aU作為雙向晶閘管觸發(fā)電路的控制電壓，用于控制觸發(fā)電路輸出脈沖的觸發(fā)角α。當(dāng)電動(dòng)機(jī)電壓達(dá)到額定電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路輸出UJC用于驅(qū)動(dòng)晶閘管調(diào)壓電路中的接觸器觸點(diǎn)JC閉合。

2.2 交流調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)

調(diào)壓電路是由3個(gè)TCA785集成觸發(fā)電路和串聯(lián)于電動(dòng)機(jī)三相供電電路上的 3只雙向晶閘管組成。通過(guò)模糊控制器的輸出來(lái)控制觸發(fā)電路輸出脈沖觸發(fā)角α的大小，由此改變電動(dòng)機(jī)輸入電壓的大小，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的目的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成并達(dá)到額定電壓時(shí)，使三相旁路接觸器觸點(diǎn)JC吸合，電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，完成軟起動(dòng)過(guò)程。

圖2 硬件電路框圖及晶閘管調(diào)壓電路

2.3 軟起動(dòng)器系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

外界干擾信號(hào)能夠引起軟起動(dòng)器誤操作，造成軟起動(dòng)失敗，因此行之有效的抗干擾措施對(duì)軟起動(dòng)器的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。本系統(tǒng)僅就硬件方面做了相應(yīng)的抗干擾措施[7]即電源抗干擾設(shè)計(jì)。在使用多路隔離高頻變壓器產(chǎn)生的直流電源之前進(jìn)行濾波，即在電源與地之間接入100nF的無(wú)極性電容，從而有效地濾除雜波，保證了所提供的直流電源的干凈，進(jìn)而保證了軟起動(dòng)器系統(tǒng)所使用直流電源的穩(wěn)定。

3 三相電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

模糊控制輸出量的求取采用查表法。程序中完成起動(dòng) ADC0809 對(duì)給定起動(dòng)電流值和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流信號(hào)的采集、求電流偏差及變化率、查模糊控制表、起動(dòng)DAC0832 進(jìn)行輸出量的D/A 轉(zhuǎn)換等工作，程序流程圖如圖3所示。

4 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的仿真模型

在Matlab的Simulink中建立的異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制仿真原理圖如圖4所示，由三相交流電壓源，三相交流調(diào)壓模塊，異步電動(dòng)機(jī)測(cè)量模塊，模糊控制環(huán)節(jié)，異步電動(dòng)機(jī)模塊等構(gòu)成。

4.1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模塊

本文選擇的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定功率為2.2KW，額定電壓為380V，額定電流為5A，頻率為50Hz，定子電阻為10.6?，定子電感為0.04H，轉(zhuǎn)子電阻為5.8?，轉(zhuǎn)子電感為0.04H，勵(lì)磁電感為0.46H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.1kg·m2，磁極對(duì)數(shù)為2。

4.2 模糊控制器模塊

本文設(shè)計(jì)的模糊控制器，為一雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu)[7]，輸入變量E（電流偏差）的模糊論域?yàn)閇-6，6]，輸入變量EC（電流變化率）的模糊論域?yàn)閇-0.6，0.6]，分為 7個(gè)檔{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}={“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”}。

圖3 軟件程序流程圖

圖4 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制仿真原理圖

5 仿真結(jié)果

在圖5所示Fuzzycontrolsystem模塊中，輸入變量In1為電流偏差，輸入變量In2為電流變化率，輸出變量Out為觸發(fā)角的大小，它們隸屬函數(shù)均為三角形隸屬函數(shù)。以E變量為例給出了其隸屬函數(shù)圖，及曲面觀測(cè)器圖，如圖6、圖7所示。

圖5 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

圖6 電流偏差的隸屬函數(shù)圖

圖7 曲面觀測(cè)器

6 結(jié)論

用模糊控制實(shí)現(xiàn)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)恒流軟起動(dòng)控制的方法，系統(tǒng)超調(diào)量小、響應(yīng)快，起動(dòng)電流平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的沖擊小，能較好地解決傳統(tǒng)方法起動(dòng)存在的缺點(diǎn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序均較簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。由于各電動(dòng)機(jī)的參數(shù)不同，使用同一種控制規(guī)則，可能不能達(dá)到最優(yōu)的目的，因此還可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)進(jìn)行研究。

[1] 徐甫榮,崔力.交流異步電機(jī)軟起動(dòng)及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2003, 25(1):1-7.

[2] 李景新,汪至中.異步電機(jī)的限流起動(dòng)控制[J].電力電子技術(shù),1997, 31(4):52-54.

[3] 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

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[5] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

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