王智宇

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030000）

三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)與限流式軟起動(dòng)的MATLAB對(duì)比仿真

王智宇

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030000）

利用MATLAB軟件對(duì)直接啟動(dòng)和限流軟啟動(dòng)整體系統(tǒng)進(jìn)行仿真，對(duì)比兩種啟動(dòng)方式下的啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的波形，得出限流軟啟動(dòng)方式確實(shí)可以在電機(jī)順利啟動(dòng)的前提下，減小啟動(dòng)電流，從而優(yōu)化電機(jī)啟動(dòng)性能的結(jié)論。

異步電機(jī)；直接啟動(dòng)；軟啟動(dòng)；仿真

1 交流電機(jī)軟啟動(dòng)基本模塊仿真

1.1 同步移相模塊

三相交流調(diào)壓電路的控制角α=0的點(diǎn)在各個(gè)相電壓超過零點(diǎn)，所以同步信號(hào)需要獲取電源相電壓信號(hào)，并不屬于線電壓。并且就實(shí)質(zhì)而言，電氣系統(tǒng)模塊與普通的Simulink模塊存在一定程度的差異，但這兩類模塊里的信號(hào)流動(dòng)存在極大的關(guān)聯(lián)性，就需要充分的利用中間接口模塊，所以依照其具體的性質(zhì)，我們選取了電壓測(cè)量模塊來當(dāng)成輸入電氣信號(hào)與輸出Simulink信號(hào)的中間接口。

1.2 晶閘管調(diào)壓模塊

對(duì)于晶閘管調(diào)壓主回路模塊而言，其都是通過三組反并聯(lián)的晶閘管模型而構(gòu)成的，為了節(jié)省地方，并且簡(jiǎn)化電路，使之一目了然。如圖1所示，對(duì)每一組反并聯(lián)的晶閘管進(jìn)行了封裝。這個(gè)模塊主要涉及到的模型有晶閘管模型（Thyristor），由于我們直接選擇的是理想晶閘管，它的所有功能可以滿足我們的調(diào)壓要求，因此它的所有參數(shù)都采用默認(rèn)即可，不用調(diào)整。

1.3 觸發(fā)器模塊pulse

鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性是阻感性的，電流會(huì)比電壓滯后一個(gè)功率因素角。如將電壓作為同步信號(hào)的檢測(cè)信號(hào)，將電壓的過零點(diǎn)作為同步信號(hào)的過零點(diǎn)，電流卻沒有同時(shí)過零。由于電流比電壓滯后，若在電流沒有反向之前反向的晶閘管的觸發(fā)信號(hào)就已經(jīng)消失，那么，晶閘管就無法正常工作，整個(gè)電路就達(dá)不到調(diào)壓的作用。最好的方法是將脈沖觸發(fā)的寬度加寬，以保證晶閘管可以接收到足夠長(zhǎng)的觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)模塊如圖2所示，只要將這樣的三個(gè)觸發(fā)電路接到晶閘管調(diào)壓電路中，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的觸發(fā)。

這個(gè)模塊主要用到的模型為延遲（Relay）和斜率設(shè)定（Rate Limiter）兩個(gè)模型，Relay與Relay2參數(shù)output設(shè)為10。Relay1與Relay3參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值，保持不變。Rate Limiter與Rate Limiter1的參數(shù)rising slew rate設(shè)置為1000，F(xiàn)all slew rate設(shè)置為-1e8。

圖1 晶閘管調(diào)壓模塊

圖2 脈沖觸發(fā)模塊pulse

1.4 電機(jī)及顯示模塊

就實(shí)際仿真過程而言，三相異步電機(jī)選擇了Sim Power Systems庫中的 Asynchronous Machine SI Unit，測(cè)量顯示選擇Bus selector模塊，來進(jìn)行電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

電機(jī)具體參數(shù)：額定功率P=2．2kW，額定電壓U=380V，額定電流I=10A，頻率f=50Hz，定子電阻Rs=0．435Ω，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0．816Ω，定、轉(zhuǎn)子互感Lm=0．0693H，定、轉(zhuǎn)子自感L=0．002H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=0．189kg·m2，極對(duì)數(shù)p=2?？偩€選擇模塊（Bus Selector）是一種在其輸入輸出的總線元素中選定子集，通過它來選擇測(cè)量電機(jī)的三相定子電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩。

1.5 軟啟動(dòng)限流控制模塊

（1）傳統(tǒng)PID控制器的結(jié)構(gòu)。引入電流負(fù)反饋，并且設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的PID控制器來控制三相鼠籠式異步電機(jī)的啟動(dòng)電流，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中的“被控對(duì)象”為交流調(diào)壓電路和感應(yīng)電機(jī)，輸入量c為系統(tǒng)給定，即為電機(jī)最大啟動(dòng)電流的設(shè)定值，控制的理想目標(biāo)為：在電機(jī)的啟動(dòng)過程中，其啟動(dòng)電流保持在該設(shè)定值，即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒流啟動(dòng)。系統(tǒng)的輸出為定子電流i，控制量u的物理意義為觸發(fā)角α，控制量u由式（1）給出。

式中的Kp、Ki和Kd為常數(shù)，分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。在仿真中，用模塊來表示公式（1）。通過試湊法得出Kp=0．001、Ki=5。Gain1、Gain2的參數(shù)設(shè)定是根據(jù)圖像調(diào)整試出。

（2）限流軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)模塊如圖4所示。就本質(zhì)而言，軟啟動(dòng)就是降低電壓，而降低電壓則需要將啟動(dòng)電流抑制在一定范圍內(nèi)。在啟動(dòng)中給定一初始電壓，通過它來抑制啟動(dòng)沖擊電流，在電流逐步衰減的過程中使得電壓持續(xù)增大，當(dāng)電流降低到一個(gè)安全值時(shí)，將電流維持住，在消除電流沖擊的同時(shí)，又盡可能的保證足夠的轉(zhuǎn)矩。圖中利用加法器，將啟動(dòng)電流的反饋信號(hào)和設(shè)計(jì)的給定值整合，會(huì)得到一個(gè)電流偏差，之后再通過滯環(huán)比，形成方波。在反饋電流較大時(shí)，輸出0，給定電流較大時(shí)，輸出1。Constant3的設(shè)計(jì)輸入為初始啟動(dòng)電壓，我們可以直接輸入對(duì)應(yīng)控制角，通過公式Fcn(10×u(1)/180)的換算，輸出啟動(dòng)電壓。Constant1為加速電壓，與Relay輸出值一起進(jìn)入乘法器，輸出值再經(jīng)過比例積分作用，與初始啟動(dòng)電壓一同進(jìn)入加法器作用。Gain1其積分系數(shù)，Gain2為比例系數(shù)。本模塊工作過程為：反饋電流大于給定電流時(shí)，乘法器接收到零信號(hào)，PI失去作用，啟動(dòng)電壓不會(huì)改變，直到啟動(dòng)電流衰減；當(dāng)反饋電流小于給定電流時(shí)，乘法器接收到1信號(hào)，之后通過比例積分環(huán)節(jié)，與給定電壓經(jīng)過加法器，增大啟動(dòng)電壓。兩種狀態(tài)在啟動(dòng)過程中交替轉(zhuǎn)換保證恒流啟動(dòng)。

圖3 基于傳統(tǒng)PID的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)和軟啟動(dòng)系統(tǒng)仿真

2.1 直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)仿真模型主要有三相交流電源（用380V）、電機(jī)模型和測(cè)量模塊，主要測(cè)量定子電流和電壓、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。仿真模型如圖5所示。

圖4 軟啟動(dòng)限流模塊

2.2 限流軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)仿真模型具體涵蓋了三相電源模塊、晶閘管調(diào)壓主回路模塊、觸發(fā)脈沖發(fā)生器模塊、給定計(jì)分器模塊等，具體由圖6能夠得知，在實(shí)際啟動(dòng)過程里，憑借控制器來改變晶閘管控制角的大小，電機(jī)機(jī)端電源在持續(xù)增大，憑借仿真能夠?qū)泦?dòng)器的電流限制效果、轉(zhuǎn)速以及電磁轉(zhuǎn)矩等展開探析。仿真初始化頻率設(shè)置為50Hz，仿真脈沖寬度調(diào)為10，仿真時(shí)間設(shè)置為6s，步長(zhǎng)計(jì)算為ode15，啟動(dòng)時(shí)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常小，設(shè)置為0．5，然后開始仿真。

3 直接啟動(dòng)與軟啟動(dòng)的仿真結(jié)果對(duì)比分析

圖5 直接啟動(dòng)仿真模型

圖6 限流軟啟動(dòng)仿真圖

3.1 直接啟動(dòng)與軟啟動(dòng)的對(duì)比分析

如圖7與圖8分別為鼠籠式異步電機(jī)直接啟動(dòng)和限流軟啟動(dòng)的A相定子啟動(dòng)電流，由圖對(duì)比可以看出直接啟動(dòng)的電流峰值超過3000A，而限流軟啟動(dòng)的電流峰值只有40A多一點(diǎn)，不到50A。前者電流是后者的幾十倍，可以看出，限流軟啟動(dòng)確實(shí)可以極大地降低啟動(dòng)電流，以達(dá)到保護(hù)電機(jī)的作用。

如圖9和圖10分別為鼠籠式異步電機(jī)直接啟動(dòng)和限流軟啟動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖形。由圖的對(duì)比可知，直接啟動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩非常大，超過了2500N?m，而限流軟啟動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩則相對(duì)小很多，只有大約不超過80N?m。直接啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約是限流軟啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的30倍左右。由此可以得出，限流軟啟動(dòng)條件下的鼠籠式異步電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)比直接啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低很多，可以更好地保護(hù)電機(jī)，防止啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩過大而損害電機(jī)。而由圖9可以看出，直接啟動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩峰值，是額定轉(zhuǎn)矩的5倍左右，比值已經(jīng)很大，會(huì)嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命。

如圖11與12分別為鼠籠式異步電機(jī)直接啟動(dòng)和限流軟啟動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速變化。由圖可以看出，直接啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速的上升速率非常快，并且會(huì)有超調(diào)量。而限流軟啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速上升速率相對(duì)較慢，且上升曲線比較平滑穩(wěn)定。

圖7 直接啟動(dòng)的定子電流

圖8 限流軟啟動(dòng)的定子電流

圖9 直接啟動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

圖10 限流軟啟動(dòng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

圖11 直接啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速變化

圖12 限流軟啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速變化

3.2 限流負(fù)反饋調(diào)節(jié)中的波形

如圖13所示為圖6中示波器Uct1的波形，是電機(jī)的定子電流反饋信號(hào)與限流給定值做差之后的結(jié)果，可以看出，結(jié)果被牢牢限定在30A以下，為后邊啟動(dòng)電流的控制設(shè)置限定值。

圖13 示波器Uct1的波形

如圖14所示為圖6中示波器Uct3的波形，經(jīng)過乘法器后出來的波形，形成方波。當(dāng)反饋信號(hào)大于30A時(shí)，乘法器輸入為0，PI調(diào)節(jié)器不起作用，當(dāng)反饋信號(hào)小于30A時(shí)，乘法器輸出為1，再經(jīng)過與常數(shù)模塊3的相乘，得到一個(gè)幅值為3的方波。

圖14 示波器Uct3的波形

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