汪皓鈺

（國家電網(wǎng)公司華中分部 湖北 武漢 430077）

0 引言

目前，三相異步電動機(jī)除本身對電磁力有較大沖擊以外，其自身運(yùn)行對電網(wǎng)電壓波動有著一定的影響，從而導(dǎo)致電力設(shè)備無法正常運(yùn)行[1]。因此，為了進(jìn)一步將這些問題解決，則需要設(shè)計(jì)好異步電動機(jī)軟啟動控制裝置。目前，在異步電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)中，若功率因數(shù)低，則會導(dǎo)到供電設(shè)備無法有效輸出，并且也會導(dǎo)致供電設(shè)備以及線路損耗增加[2]。由此可見，在三相異步電動機(jī)軟啟動過程中，有效選用功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，是保證用電安全，提高供電效率的關(guān)鍵所在[3]。因此，文中研究提出異步電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)的功率因數(shù)提高，針對三相異步電動機(jī)軟啟動系統(tǒng)補(bǔ)償無功功率的方案，以此來提高功率因數(shù)。

1 異步電動機(jī)軟啟動系統(tǒng)補(bǔ)償無功功率的方案

1.1 晶管體的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置概述

異步電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)中，晶管用于軟啟動較為廣泛，其價(jià)格相較于同類產(chǎn)品較低，并且技術(shù)成熟，作為晶管體的功率因數(shù)補(bǔ)償裝置，能夠較好的控制電流，調(diào)節(jié)電壓，從而保證用電安全。在異步電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)中，功率因數(shù)的設(shè)置十分重要。功率因數(shù)的不同，異步電動機(jī)軟啟動的控制效率也會發(fā)生變化[4]。

1.2 異步電動機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)思想

異步電動機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)思想主要由兩個方面組成，第一，電動機(jī)啟動時，需要產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩，從而帶動負(fù)載能夠快速實(shí)現(xiàn)正常轉(zhuǎn)速；第二，電機(jī)啟動電流不可過大，需要考慮功率因數(shù)的反饋量，從而使電流得到較好的控制，不會因過大，導(dǎo)致供電失去穩(wěn)定性。若供電變壓器的容量處于較小的狀態(tài)下，則此時啟動電流過大，沒有得到較好控制，那么會造成線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。故功率因數(shù)的反饋量確定以及轉(zhuǎn)矩的控制，均對異步電動機(jī)軟啟動控制器的實(shí)現(xiàn)有著重要的影響。因此，文中研究需要重點(diǎn)考慮軟啟動過程中功功率因數(shù)的提高，從而實(shí)現(xiàn)異頻電動機(jī)輸出電流的有效控制。

1.3 MATLAB6.5軟件介紹

根據(jù)上述異頻電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)相關(guān)功率因數(shù)提升的分析，從而確定最理相的功率因數(shù)據(jù)輸出模塊，利用MATLAB6.5中的Simulink庫SimPower-Systems庫，可以建立異步電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)的功率因數(shù)提高的仿真模型[5]。該軟件是目前同類軟件仿真中誤差較小，并且成本較低、操作較為簡單的仿真軟件[6]。因此，文中研究選取MATLAB6.5軟件作為異步電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)的功率因數(shù)提高的仿真設(shè)計(jì)軟件使用。

2 控制系統(tǒng)的仿真模型

2.1 電機(jī)及檢測模塊

本系統(tǒng)仿真選用的是一型非標(biāo)準(zhǔn)的鼠籠式異步電動機(jī)，選擇這種電機(jī)主要考慮，其相電壓可以長期工作在160 V以下，選擇的仿真模塊是由simulink提供的，Asynchronous Machine SI Units模塊[7]。具體參數(shù)如下：

①PKwn=7.5 kW；②VVn=380 V；③f=50 Hz；④=0.418?sR；⑤LHs31210?=×；⑥=0.778?/rR；⑦LHr/31210?=×；⑧2J=0.0798 kq·m；⑨p=2。異步電動機(jī)各參數(shù)測量采用Machine Measurement Demux模塊，所需要測量的參數(shù)是sabci?、nω、eT[8]。

2.2 軟啟動模塊

文中模擬中，為了更好的獲得較高的功率因數(shù)提高目標(biāo)，從而獲得良好的啟動性能，需要將啟動的頻率范圍在標(biāo)準(zhǔn)的初始要求內(nèi)執(zhí)行操作。因此，這一范圍的設(shè)定需要對電動機(jī)進(jìn)行條件約束，具體內(nèi)容如下：

第一，保證轉(zhuǎn)矩足夠，設(shè)定額度轉(zhuǎn)矩為120%。

第二，啟動電流控制在額定電流的2.5倍以內(nèi)，以此來保證電流處于較小的啟動狀態(tài)下。

2.3 軟啟動電壓與頻率

2.3.1 軟啟動電壓與頻率的控制

軟啟動電壓與頻率的控制十分重要，這是保證功率因數(shù)能否提升的關(guān)鍵所在。通常應(yīng)用變頻調(diào)速，以此來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的提高。此時，需要保證電動機(jī)容量得到充足的利用，需要保證電動機(jī)啟動時最大轉(zhuǎn)矩不會發(fā)生變化，則需要對定子端電壓與頻率成比例的調(diào)節(jié)。如圖1所示。

圖1 磁通恒定時電壓的頻率關(guān)系示意圖

U作為電壓，f則表示頻率，磁通恒定時，成比例的調(diào)節(jié)定子端電壓與頻率，同時降低電壓，從而保證轉(zhuǎn)矩在最大狀態(tài)，而功率因數(shù)也由此得到最大程度的提高，進(jìn)而保證軟啟動對電流與電壓的控制。

2.3.2 最佳啟動頻率范圍

最佳啟動頻率范圍需要滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求，并且需要滿足晶閘管調(diào)壓電路對啟動電流的要求，同時還需要滿足啟動要求的啟動頻率范圍，從而能夠認(rèn)定為最佳的啟動頻率范圍。因此，在實(shí)際仿真過程中，需要著重確定前述三項(xiàng)啟動要求的頻率是否滿足，三項(xiàng)均滿足時，方可認(rèn)定為最佳啟動頻率范圍，從而為功率因數(shù)的提高，提供重要的基礎(chǔ)條件。

2.3.3 啟動電壓的確定

依據(jù)定子端電壓與頻率成反比例的調(diào)節(jié)要求，文中研究采兩段頻率啟動方式，第一段啟動頻率10 Hz，定子相電壓50 V，第二段頻率設(shè)定為25 Hz，定子相電壓110 V。

2.4 功率因數(shù)檢測模塊

文中研究結(jié)合上述對異步電動機(jī)軟啟動控制中功率因數(shù)提升的需求分析，確定功率因數(shù)檢測模塊。文中研究主要以單相作為模擬仿真檢測對象，模擬功率因數(shù)子系統(tǒng)的仿真，成功通過了測試，功率因數(shù)值由Display模塊顯示出來，如圖2所示。

圖2 功率因數(shù)檢測仿真圖

在圖2可見，用單相交流電對一負(fù)載供電，由Active&Reactive power模塊分別測得負(fù)載的有功功率、無功功率，無功功率取倒數(shù)后與有功功率做乘法，即得到了P/Q，取反正切后即可得到功率因數(shù)角。

文獻(xiàn)[9]與文獻(xiàn)[10]明確指出，現(xiàn)有異步電動機(jī)的軟啟動開關(guān)均為0.3~0.4，而文中研究的異步電動機(jī)功率因素需要大于0.6以上，則可視為功率因數(shù)提升。具體通過模糊控制器模塊仿真可以得到。

2.5 模糊控制器模塊

文中研究根據(jù)上述對異步電動機(jī)軟啟動控制功率因數(shù)提高的設(shè)計(jì)，最終確定模糊控制器的仿真，從而確定功率因數(shù)提高的具體效果。模糊控制器的仿真是通過一雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu)，輸入輸出變量的模糊論域均為[0，1]，分為7個檔{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}＝{“負(fù)大”、“負(fù)中”、“負(fù)小”、“零”、“正小”、“正中”、“正大”}。具體仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 功率因數(shù)隸屬函數(shù)仿真圖

由圖3可見，功率因數(shù)隸屬函數(shù)仿真圖界面中，對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，輸入變量In1為電壓系數(shù)（Voltage），輸入變量In2為功率因數(shù)（Power factor），輸出變量Out為觸發(fā)角的大小（modulus），它們隸屬函數(shù)均為高斯二型。以Voltage變量為例給出了其隸屬函數(shù)圖。進(jìn)一步得到圖4模糊控制器模塊的仿真模糊規(guī)則與圖5曲面觀測情況。

圖4 模糊控制規(guī)則圖

圖5 曲面觀測器

模糊控制圖，根據(jù)大量的電機(jī)工作曲線結(jié)合第二章的分析，總結(jié)出如下11條模糊規(guī)則仿真結(jié)果。

1）如果電壓最低，功率因數(shù)最低，則模量最高。

2）如果電壓最低，功率因數(shù)較低，則模量最高。

3）如果電壓最低，功率因數(shù)低，則模量最高。

4）如果電壓最低，功率因數(shù)平均，則模量最高。

5）如果電壓最低，功率因數(shù)高，則模量最高。

6）如果電壓最低，功率因數(shù)較高，則模量最高。

7）如果電壓最低，功率因數(shù)最高，則模量最高。

8）如果電壓較低，功率因數(shù)較低，則模量較高。

9）如果電壓較低，功率因數(shù)最低，則模量較高。

10）如果電壓較低，功率因數(shù)平均，則模量較高。

11）如果電壓較低，功率因數(shù)模量較高。

3 仿真結(jié)果及結(jié)論

3.1 仿真結(jié)果

由于異步電動機(jī)軟啟動是帶負(fù)載初始運(yùn)行，故而在啟動時功率因數(shù)值處于高較狀態(tài)，從而導(dǎo)致在0.3 s、0.7 s軟啟動頻率切換時，導(dǎo)致功率因數(shù)的數(shù)值波動較大，但是這種影響并沒有維持較長時間，而是出現(xiàn)后便即刻消失了。與此同時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速在啟動過程中一直處于上升狀態(tài)，軟啟動性能指標(biāo)達(dá)到文中設(shè)計(jì)方案的要求。具體如圖6與圖7所示。

圖6 功率因數(shù)變化曲線

圖7 轉(zhuǎn)速變化曲線

由圖7可見，在異步電動機(jī)的啟動過程完成后電動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，在2 s時突然將負(fù)載率調(diào)到了40%，在3 s時異步電機(jī)突然空載。

3.2 結(jié)語

通過文中仿真研究得到，當(dāng)實(shí)施軟啟動空載時，功率因數(shù)值立刻降至0.1左右，經(jīng)文中研究提出的軟啟動晶閘管控制器調(diào)節(jié)，電機(jī)立刻提高到0.6以上。而此時，經(jīng)過估算文中研究可完成節(jié)能75%左右，此設(shè)計(jì)方案下，能夠達(dá)到節(jié)能效果，完全滿足功率因數(shù)大于0.6的設(shè)計(jì)要求，并且電動機(jī)功率因數(shù)僅需0.3-0.4左右，控制器即可發(fā)生響應(yīng)，已經(jīng)超出本仿真的預(yù)期效果。