劉 斌， 童 軍， 曹浩翔， 王俠輝

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

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基于dsPIC30F6014A的異步電機轉(zhuǎn)矩斜坡限流起動研究*

劉 斌， 童 軍， 曹浩翔， 王俠輝

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

對異步電機的T型等效電路的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析與研究，提出了異步電機轉(zhuǎn)矩斜坡限流起動的控制思路，并將模糊PID自適應(yīng)控制思路運用在限流控制部分。在此理論基礎(chǔ)下，利用MATLAB/Simulink工具構(gòu)建仿真平臺對電機轉(zhuǎn)矩限流控制的軟起動進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果說明，該方法在降低電機起動電流的同時還可以提高起動轉(zhuǎn)矩，從而驗證了轉(zhuǎn)矩斜坡限流理論的可靠性。

異步電機； 轉(zhuǎn)矩斜坡限流起動； 模糊PID控制

0 引 言

由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，對于調(diào)速系統(tǒng)的要求越來越嚴(yán)格，尤其是先進(jìn)控制策略的引入，而現(xiàn)在市場最常引用的起動方式為限流起動和斜坡電壓起動方式。這兩種起動方式雖然可以減少起動時的電流沖擊，但是起動時的轉(zhuǎn)矩也受到了限制[1]。本文提出的轉(zhuǎn)矩斜坡限流起動方式，可以有效地彌補以上兩種方法的缺點。斜坡限流起動采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制系統(tǒng)，并引入PID控制原理，而限流部分采用模糊智能控制技術(shù)，使得轉(zhuǎn)矩按照線性規(guī)律上升，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩后通過旁路接觸器切換到軟起動的直接母線相連的旁路電路。如果在起動時發(fā)生突變電流或者起動電流達(dá)到限定的范圍，立即起動限流控制環(huán)節(jié)，此時起動轉(zhuǎn)矩也有所回落，而采用模糊PID控制算法可以快速地完成限流，從而完成起動過程。

1 異步電機的軟起動特性

電機的起動性能主要包括以下部分[2]：

(1) 限流起動電流的大小；

(2) 起動轉(zhuǎn)矩的大??；

(3) 起動所需要的時間；

(4) 起動過程中繞組所消耗的能量。

對于限流起動來說，最重要的就是限流起動的倍數(shù)，需要將電機起動的電流嚴(yán)格限制在其允許的范圍內(nèi)，一般為額定電流的3～5倍。異步電機的T型等效電路如圖1所示。

圖1 異步電動機的T型等效電路

電機的起動轉(zhuǎn)矩：

(1)

電機在剛起動時，轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，則起動轉(zhuǎn)矩：

(2)

起動電流：

(3)

由式(1)～式(3)可知，如果電源頻率不發(fā)生改變，電機的初始起動轉(zhuǎn)矩與定子側(cè)電壓的平方成正比，電機的起動電流與定子側(cè)電壓成正比。所以要想獲得大的起動轉(zhuǎn)矩就要增加其起動電壓，但這勢必會造成其起動電流的增加,同時也會帶來沖擊電流[3]。

如圖2所示，所謂的限流起動就是起動開始后，軟起動器輸出電流由0快速升至Im，然后將電流限制在小于Im的范圍內(nèi)，保持這個電流，由于驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的存在，使得電機逐漸達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，起動結(jié)束，起動電流將被限制在負(fù)載電流ILO，此時，軟起動器輸出電壓迅速升高直至電源電壓。所以這個設(shè)定值的范圍很重要，如果這個值設(shè)定得過小將會增加起動時間，還會出現(xiàn)抖動導(dǎo)致起動失敗甚至可能燒毀電機。需要根據(jù)電機的起動轉(zhuǎn)矩來設(shè)定Im。

圖2 限流起動

2 系統(tǒng)控制

本系統(tǒng)采用的芯片為Microchip公司的dsPIC6014A-301/PF控制器，主電路為傳統(tǒng)的軟起動器?？刂齐娐分饕ǎ?電源電路、電壓同步相序檢測電路、驅(qū)動電路、電流檢測電路、接觸器控制電路。軟起動器控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 軟起動器控制系統(tǒng)框圖

通過改變晶閘管觸發(fā)角的導(dǎo)通，可以改變電機的起動電壓，從而改變晶閘管的起動轉(zhuǎn)矩和起動電流，使其按照提前給定好的規(guī)律上升。對系統(tǒng)控制的觸發(fā)角導(dǎo)通的大小需要準(zhǔn)確的計算，具體的計算分析如下：

(4)

電機負(fù)載的功率因數(shù)角隨電機的轉(zhuǎn)速變化而變化，一般認(rèn)為電機穩(wěn)定運行時：

cosφ=0.8～0.9

(5)

通過實時監(jiān)測可得到φ的變化：

F(φ,α,Δφ,Δ?)=

(Δφ-sinφcosφcos2Δφ-sinΔφcosΔφcos2φ)-

(Δ?-sin?ocs?cos2Δ?-sinΔ?cosΔ?cos2?)+

(6)

令F(φ,α,Δφ,Δα)=0，

(7)

3 模糊自適應(yīng)PID控制

本文提出的模糊自適應(yīng)PID控制就是運用模糊控制器對被控對象近似推理，并對PID參數(shù)進(jìn)行在線推理整定，從而快速響應(yīng)來提高控制的精度。在軟起動控制系統(tǒng)中，電機的起動電流與SCR調(diào)壓控制電路的數(shù)學(xué)電路模型比較模糊，起動過程中交流感應(yīng)電機參數(shù)的變化可能也會改變電機模型的參數(shù)，而傳統(tǒng)的PID控制方法不能及時地改變參數(shù)實現(xiàn)對電機的最優(yōu)控制[4]。利用模糊自適應(yīng)PID控制可以很好地解決上述問題，其原理圖如圖4所示。

圖4 模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)原理框圖

圖4中的Δe與Δ?是PID控制與模糊自適應(yīng)控制尋求的參數(shù)Kp、Ki、Kd和K1、K2、K3的模糊關(guān)系,再運行模糊自適應(yīng)PID控制器不斷地檢測e和Δ?的變化,通過模糊推理可以得到控制器的三個參數(shù)K1、K2和K3，從而實現(xiàn)PID參數(shù)的在線模糊調(diào)整，使異步電機獲得良好的動態(tài)特性。從圖4中也可以看出，偏差e和偏差變化率Δ?為模糊控制器的輸入,K1、K2和K3為PID控制器的輸出。實際情況,輸入Δe和Δ?的模糊子集為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小,零、正小、正中、正大},記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},并將其量化到(-3,3)的區(qū)域內(nèi)。同時,PID控制器參數(shù)K1、K2和K3的模糊子集{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小,零、正小、正中、正大},記為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},將其量化到(-0.3,0.3)(-0.06,0.06)(0,3)的區(qū)域內(nèi)。模糊控制規(guī)則表如表1所示。

4 仿真分析

借助MATLAB/Simulink工具進(jìn)行仿真分析，仿真模塊主要有三相交流調(diào)壓主電路、電機測量模塊、功率因數(shù)角檢測模塊、限流部分模糊控制模塊[5]。其中異步電機參數(shù)如下：PN=2.2kW、UN=380V、Rs=3.478Ω、Rr=2.546Ω、Ls=12.54mH、Lr=12.26mH、Lm=332.9mH、J=0.02kg·m2、nN=1450r/min。其中測量模塊主要測電機的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波形變化，如圖5所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

圖5 異步電機轉(zhuǎn)矩斜坡限流起動仿真波形

5 試驗結(jié)果

本文對一臺UN為380/660V，IN為11A，PN為5.5kW，nN為2900r/min，接風(fēng)機負(fù)載的YBF2型三相異步電機進(jìn)行軟起動試驗。利用人機界面可選擇不同的起動模式并設(shè)置具體參數(shù)，測得不同起動模式的試驗波形如圖6所示。

圖6 局部電流有效值和電壓有效值

由圖6可知，異步電機在斜坡限流的起動控制方式下起動比較平滑，可以很好地限制電網(wǎng)的沖擊電流，定子電流被限定在4In之內(nèi)，模糊PID可以實時檢測電流的大小，并對其進(jìn)行模糊控制，使其電流變化平緩。所以通過轉(zhuǎn)矩斜坡限流起動方式起動電機可以大大降低沖擊電流，從而減少對電機及其對電網(wǎng)的影響。

6 結(jié) 語

傳統(tǒng)的限流起動由于起動轉(zhuǎn)矩小而限制了其應(yīng)用范圍，一般適用于輕載起動的場合。本文通過對轉(zhuǎn)矩斜坡限流的分析與研究，并在電流閉環(huán)中應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID控制，能夠快速、準(zhǔn)確地改變晶閘管的觸發(fā)導(dǎo)通角度，從而選擇最佳的觸發(fā)方式，獲得比較大的起動轉(zhuǎn)矩。根據(jù)仿真及相關(guān)的試驗驗證了該理論的正確性及有效性。該方法可以增大電機的輸出轉(zhuǎn)矩，還避免了大電流的沖擊，使電機可以在重載情況下平穩(wěn)起動，電動機的起動性能有所改變。這樣，軟起動器就適用于輕載和重載不同的場合，提升了其實用價值。

[1] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 陳翔宇，江和.淺析異步電動機電子軟起動器的現(xiàn)狀和展望[J].電氣開關(guān)，2003，41(6)： 31-33.

[3] 朱曉平.軟起動器工作原理綜述[J].電氣與智能建筑，2004(2)： 76-84.

[4] 徐定成.基于自學(xué)習(xí)的模糊PID參數(shù)自整定技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].重慶： 重慶大學(xué)，2006.

[5] 佘致延，劉志星，董璞.基于MATLAB/Simulink動態(tài)仿真模型的高轉(zhuǎn)矩軟起動器研究[J].電氣傳動自動化，2003,25(3)： 14-17.

Research of Asynchronous Motor Torque Ramp Current Limiting Start Based on dsPIC30F6014A*

LIUBin，TONGJun,CAOHaoxiang,WANGXiahui

(College of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054, China)

The mathematical model of the T-type equivalent circuit of induction motor was analyzed and studied, the control method of the asynchronous motor torque ramp current limiting was proposed, the fuzzy PID adaptive control was used in the current limiting control section. On the basis of this theory, using the MATLAB/Simulink tool to construct the simulation platform, the soft start of the motor torque limiting control was carried out. The result showed that this method could improved the starting torque of the starting current of the motor, so the reliability of the theory of the limit flow of the torque and the slope was verified.

induction motor; torque ramp current limiting start; fuzzy PID control

國家自然科學(xué)基金項目(51307137)

童 軍(1962—)，男，教授，研究生導(dǎo)師，研究方向為電力電子技術(shù)及電路與系統(tǒng)。

劉 斌(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為礦用中高壓電動機的軟起動技術(shù)。

TM 343

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1673-6540(2016)10- 0063- 04

2016-03-29