基于模糊控制算法電機軟起動仿真

1、目錄1 異步電機的工作原理及傳統(tǒng)軟啟動方式1.1異步電機的工作原理電動機工作原理為：當(dāng)電動機的三項定子繞組（各相差120度電角度），通入三項交流電后，將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，該旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子繞組，從而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流（轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路），載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子旋轉(zhuǎn)磁場作用下將產(chǎn)生電磁力，從而在電機轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，并且電機旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。異步電動機定子上有三相對稱的交流繞組；三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電時，就產(chǎn)生了一個同步轉(zhuǎn)速n1，沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時針方向旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場。由于旋轉(zhuǎn)磁場以n1轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開始時是靜止的，轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)

2、磁場中；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢。由于導(dǎo)子導(dǎo)體兩端被短路環(huán)短接，在感應(yīng)電動勢的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動勢方向基本一致的感生電流。轉(zhuǎn)子的載流導(dǎo)體在定子磁場中受到電磁力的作用（力的方向用左手定則判定）。電磁力對轉(zhuǎn)子軸產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子 沿著旋轉(zhuǎn)磁場方向旋轉(zhuǎn)。 切割磁力線是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流和電磁轉(zhuǎn)矩的必要條件，轉(zhuǎn)子必須與現(xiàn)轉(zhuǎn)磁場保持一定的速度差，才可能切割磁力線。1.2傳統(tǒng)軟啟動方式降壓啟動的目的是減小啟動電流,但它同時也使啟動轉(zhuǎn)矩下降.對于重載啟動，帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機械,就不能用這種方式啟動。 傳統(tǒng)的降壓啟動有以下幾種方法 ： (1) 星形/三角形轉(zhuǎn)換器：這種方法適用

3、于正常運行時定子繞組采用接法的電動機。定子有6個接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，啟動時采用星形接法，啟動完畢后再切換成接法。啟動電壓較運行電壓降低了3倍。這種啟動設(shè)備的優(yōu)點是啟動設(shè)備簡單，啟動過程中消耗能量少。 (2) 自耦變壓器降壓啟動：自耦變壓器高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動機，一般有幾個分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同啟動轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，在電動機啟動后再將其切除。其優(yōu)點是啟動電壓可以選擇，如0.65，0.8或0.9UN，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。缺點是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費用高。 (3) 磁控軟啟動器：磁控軟啟動器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理，在電動機啟動過程中電壓可由一

4、個較低的值平滑地上升到全壓，使電動機軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，啟動特性變軟，并可實現(xiàn)軟停車。但其起控電壓在200V左右，用戶不可調(diào)整，會有較大的電流沖擊，且體積較大。 (4) 串聯(lián)電抗器：對于高壓電機，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實現(xiàn)降壓啟動，待啟動完成后再將其切除。但電抗器成本高。 (5) 串接頻敏變阻器：對于繞線式異步電動機，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器啟動，待啟動完成后再將其切除，但頻敏變阻器成本高。（6）電解液液阻限流的軟啟動：液阻是一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。其阻值正比于二塊電極板的距離，反比于電解液的電導(dǎo)率，極板距離和電導(dǎo)率都便于控制，且液阻的熱容量大。液阻的這兩大

5、特點(阻值可以無級控制和熱容量大)，恰恰是軟啟動所需要的，加上另一個十分重要的優(yōu)勢即低成本，使液阻軟啟動得到了廣泛的應(yīng)用。但基于液阻限流，液阻箱容積大，且一次軟啟動后電解液通常會有1030的溫升，使軟啟動的重復(fù)性差；移動極板需要有一套伺服機構(gòu)，移動速度較慢，難以實現(xiàn)啟動方式的多樣化；液阻軟啟動裝置液箱中的水，需要定期補充。電極板長期浸泡于電解液中，表面會有一定的銹蝕，需要作表面處理(一般23次/年)；液阻軟啟動裝置不適合放置在易結(jié)冰或顛簸的環(huán)境中。2 電機軟啟動2.1晶閘管軟啟動器的性能(1)、晶閘管軟啟動裝置采用電力電子集成電路，由PLC或單片機數(shù)字控制的調(diào)壓(電流)節(jié)能的電機軟啟動設(shè)備。它

6、主要是串接在電機電源回路中，實時控制電動機的啟動電壓或電流，由此起到調(diào)整電機的啟動力矩，實現(xiàn)電機的軟啟動。電子軟啟動可以滿足電動機軟啟動、軟停機及運行過程中功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)。 一般的電子軟啟動器都適用于三相220V 660V電壓等級，具有比較完善的故障檢測功能，能在運行過程中檢測任何異常狀態(tài)，并通過不同的指示燈顯示各類故障，配套相應(yīng)的晶閘管主回路及RC吸收單元可組成一高性能的電動機軟啟動控制器，并能適用于任何負(fù)載場合的電動機的控制。它是接在三相交流電源與三相交流電動機之間的電力電子裝置。(2)、晶閘管軟啟動的技術(shù)性能主要包括：一是根據(jù)電機的硬性特性的要求，可分別獨立設(shè)定電機的軟啟動、軟停機時間

7、；二是實現(xiàn)運行過程中的功率因數(shù)自動追蹤調(diào)節(jié)功能，使；三是適用主回路電壓：三相220V690V AC 50 /60HZ自動選擇相序自動檢測；四是一次系統(tǒng)的電壓和電流及功率因數(shù)的控制是采用數(shù)字脈沖，二次控制系統(tǒng)為集成數(shù)字控制設(shè)備，耗電低。 (3)、晶閘管軟啟動的啟動方式：根據(jù)電機不同負(fù)載的要求晶閘管啟動器一般都具備以下三種啟動方式：電壓控制啟動方式、限流啟動方式、轉(zhuǎn)矩加脈沖突跳啟動方式。 (4)、晶閘管軟啟動系統(tǒng)的運行方式分為：節(jié)能運行方式、全壓運行方式、接觸器旁路運行方式。2.2電動機軟啟動器的幾種啟動方式(1)斜坡電壓軟啟動早期的軟啟動器是以啟動電壓為控制對象進行軟啟動的。tU0Us圖2.1

8、斜坡電壓控制圖2中，啟動電壓先以設(shè)定的速率增加，然后再轉(zhuǎn)為額定電壓。這種啟動方式比傳統(tǒng)的自耦變壓器或Y降壓啟動有了較大的進步，但在某些工作狀態(tài)下應(yīng)用時，還會出現(xiàn)較大的二次沖擊電流，而且容易損壞晶閘管。(2)恒流軟啟動目前的軟啟動器大都以啟動電流為控制對象進行軟啟動的。啟動時電動機的啟動電流保持恒定(即限定啟動電流)，其電流限定值 Ism 通常在額定電流的1.54.5倍之間選擇。圖3顯示了這種恒流軟啟動方式的電流特性It0Ism圖2.2 恒流軟啟動的電流特性設(shè)定的電流限定值 Ism 大(以對電網(wǎng)不造成大的沖擊作用為前提)，啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動時間短；Ism小，啟動轉(zhuǎn)矩小，啟動時間長。這種方式一般適用

9、于啟動慣性大的場合。(3) 斜坡恒流軟啟動It0Ism若控制啟動電流以一定的速率平穩(wěn)地增加，當(dāng)啟動電流增大到所設(shè)定的電流限定值 Ism 時，就將啟動電流保持恒定值直至啟動結(jié)束。圖4示了斜坡恒流軟啟動方式的電流特性。圖2.3 斜坡恒流軟啟動從圖中可以看出，電動機的啟動過程分為兩個階段，先為斜坡啟動階段， 后為恒流啟動階段。當(dāng)啟動即將結(jié)束時啟動電流會自動減下來。啟動電流上升變化率和恒流值都可任意設(shè)定，恒流值 Ism 大小決定啟動時間的長短。因此，啟動電流上升變化率和恒流值一般應(yīng)根據(jù)負(fù)載情況與生產(chǎn)要求來設(shè)定， 以使軟啟動器獲得最佳的啟動過程，并減小啟動損耗斜坡恒流軟啟動方式一般適用于空載或輕載啟動，

10、也適用于啟動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加而增大的負(fù)載設(shè)備，如通風(fēng)機、水泵等。(4)脈沖恒流軟啟動這種啟動方式在啟動初始階段有一個較大的啟動沖擊電流，該電流值大于設(shè)定的恒流值 Ism ，從而能產(chǎn)生較大的啟動沖擊轉(zhuǎn)矩去克服較大的靜磨擦轉(zhuǎn)矩，使設(shè)備能夠迅速啟動；然后進入恒流啟動階段，直至啟動結(jié)束。圖10示了脈沖恒流軟啟動方式的電流特性。It0Ism圖2.4 脈沖恒流軟啟動圖中脈沖啟動階段電流的幅值(以對電網(wǎng)不造成在的沖擊作用為前提)和脈沖維持時間是可以設(shè)定的。顯然，這種啟動方式的啟動轉(zhuǎn)矩大，適用于重載啟動，如皮帶輸送機、磨煤機的帶載啟動。除了上面介紹的軟啟動方式之外，還有電壓與電流控制的各種組合方式，如斜坡電壓與

11、電流限制下的軟啟動，啟動脈沖、斜坡電壓與電流限制下的軟啟動等。2.3 軟啟動器的運行方式(1)、在線運行軟啟動。軟啟動器產(chǎn)品剛上市時，主要是國外的品牌，如施奈德，西門子等，但他們都是在線運行方式。在應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)在線運行有7個方面的優(yōu)缺點：晶閘管長期在線運行功耗太大造成能源浪費：晶閘管的散熱量太大需要機械冷風(fēng)，給成套帶來很大的困難：晶閘管長期在線運行給電網(wǎng)帶來高次諧波污染：晶閘管作為開關(guān)元件長期工作其可靠性遠低于機械開關(guān)：造價昂貴用戶難以接受：由于晶閘管造型和考慮散熱，因此體積大。軟啟動的優(yōu)點：電動機的啟動與保護及控制集于一體，強大的智能控制器全部發(fā)揮作用，由于采用機械冷風(fēng)能夠適用頻繁啟

12、動場合，電路簡單便于維護和檢修。(2)、旁路運行軟啟動器。旁路型軟啟動器克服了在線運行的缺點和技術(shù)難度，即電動機啟動完成后旁路到接觸器上運行?；乇芰司чl管在線運行的缺點，尤其不需要機械風(fēng)冷。但是，同時也帶來四個方面的缺點：電路復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性降低：強大的智能控制器不能充分利用，有的不能對電動機保護：增加成套裝置的體積和成本：增加維護與檢修的難度。應(yīng)用中大多數(shù)采用了旁路運行方形，即便選用了在線運行方式的軟起器，有許多還是加載一套旁路運行接觸器，回避了晶閘管在線運行的缺點。(3)、內(nèi)置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器。內(nèi)置晶閘管旁路型在線運行軟啟動器（簡稱內(nèi)置旁路型軟啟動器），是在線運行軟啟動器內(nèi)部設(shè)

13、計了一套機械觸頭與晶閘管并聯(lián)，在電機軟啟動和軟停車過程中由晶閘管運行，機械觸頭斷開，當(dāng)電機正常運行時晶閘管斷開，機械觸頭閉合。這套動作過程是通過內(nèi)部控制自動完成的，對外部接線來講是一個裝置，以稱為在線運行。它的優(yōu)點是具備上述兩種類型的所有優(yōu)點同時回避它們各自的缺點。優(yōu)點：電路簡單；自然風(fēng)冷；晶閘管只管啟動停車，回避晶閘管在線運行所帶來的功耗和散熱；體積?。粡姶笾悄芸刂破鞯靡匀姘l(fā)揮，能對電動機起到啟停與保護控制；節(jié)省成套空間；由于晶閘管和機械觸頭組合一體的設(shè)計，通過智能控制器實現(xiàn)了機械自動化。觸頭無電弧，使得機械觸頭的電壽命等于機械壽命，與旁路型相比大大提高了系統(tǒng)的可靠性。節(jié)能：相比較旁路型而

14、言的，由于內(nèi)部旁路型的機械觸頭采用了無電弧控制，其銀點的硬度降低，因此觸點的接觸電阻也降低；從而使機械觸頭的閉合壓力大大降低，機械觸頭的吸合磁力減小，降低了能耗和觸頭的能耗降低，與旁路型相比綜合起來能省50%以上。2.4 軟啟動的選型其中最重要的是區(qū)分頻繁啟動還是不頻繁啟動，對于軟啟動器來講，一般情況下如果啟動時間不超過2min，不超過30次/小時，即可定為不頻繁啟動，大于次數(shù)應(yīng)按頻繁啟動考慮。頻繁場合要按電動機的啟動電流選取，因此軟啟動器一般選取管子的電流是電動機的24.5倍。不頻繁下充分利用管子的短時過載能力，所以在不頻繁啟動的條件下，應(yīng)加大軟啟動器的容量，根據(jù)頻繁度的不同取在1.21.5

15、倍即可。軟啟動要有過載保護、斷相保護和溫度補償功能的熱過載繼電器。具體選用時，要使電動機的工作電流在熱元件整定電流范圍以內(nèi)。工作時容易過載的設(shè)備，要使電動機的額定電流值靠近熱元件整定電流范圍的下限。3 模糊控制部分3.1 模糊控制原理模糊控制，作為一種語言控制器，主要是模仿人的控制經(jīng)驗，因此模糊控制能近似地反映人的控制行為，其特性是對過程參數(shù)變化不太敏感，能克服非線性、時變和純滯后因素的影響，不要求被控對象具有精確的數(shù)學(xué)模型，具有很強的魯棒性。該系統(tǒng)針對三相異步電動機起動過程中反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數(shù)學(xué)模型，采用的模糊控制方法把電動機起動電流與設(shè)定值之差E及其一個周期的變化率EC

16、作為輸入量，晶閘管觸發(fā)角的變化值U作為輸出量。控制過程中由模糊控制器對輸入量模糊化、模糊推理，決策和對輸出量去模糊化，最終得到輸出控制量，來控制三相異步電動機晶閘管的觸發(fā)角，改變?nèi)喈惒诫妱訖C的輸入電壓，實現(xiàn)軟起動。本文的三相異步電動機軟起動控制系統(tǒng)采用模糊控制的方法，其模糊控制系統(tǒng)原理圖如圖3.1所示。圖3.1 模糊控制系統(tǒng)原理圖3.2電流偏差和電流變化率以及輸出控制量的模糊化 電流偏差是指電流的給定值與檢測感應(yīng)電動機起動電流值的偏差值，電流變化率為一個采樣周期內(nèi)電流偏差的變化。從理論上講，模糊控制量劃分的狀態(tài)維數(shù)越高，控制越精細。但是維數(shù)越高，控制規(guī)則將變得越復(fù)雜，控制算法的實現(xiàn)也變的十分

17、困難。但如果將模糊控制量劃分的狀態(tài)維數(shù)太小，則在調(diào)節(jié)過程中容易出現(xiàn)振蕩和調(diào)節(jié)“死區(qū)”。基于以上考慮把E的論域設(shè)為-6，+6，EC的論域設(shè)為-0.6，+0.6。取E和EC的語言集為NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。為了避免電動機起動電流產(chǎn)生較大的波動，同時考慮到實際應(yīng)用中三相異步電動機調(diào)節(jié)所能達到的靈敏度，將模糊控制的輸出控制量U的論域設(shè)定為-1，1，輸出控制量U論域的取值為輸出觸發(fā)角變化量的弧度值，取U的語言集為NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。E，EC和U均采用三角形隸屬度函數(shù)。電流偏差隸屬函數(shù)曲線圖如圖2所示，電流偏差變化率和輸出量的隸屬函數(shù)曲線與前面所述的基本一致。圖3.

18、2電流偏差隸屬函數(shù)曲線圖3.3模糊控制規(guī)則的確立雙輸入單輸出型模糊控制器的控制規(guī)則為“If E is A and EC is Bthen U is C”。其中A，B，C為模糊子集；由于每個輸入變量有7個模糊子集，所以共有49條模糊推理規(guī)則。模糊決策采用加權(quán)平均判決法，由如下公式計算： 4 設(shè)計方案4.1 電機軟啟動模型設(shè)計 圖4.1為三相異步電動機軟起動控制仿真原理圖，由電源模塊、電壓測量模塊、常量輸入模塊、6脈沖觸發(fā)模塊、信號分解模塊、反并聯(lián)晶閘管模塊、觸發(fā)模塊、階躍信號模塊、電機模塊、電動機測量單元、示波器、放大器、回饋控制部分(選路器、放大器、常量模塊、可控開關(guān)模塊、飽和限制模塊、信號延遲模塊、模糊控制模塊)組成。4.2 仿真模型中各模塊結(jié)構(gòu)圖及功能圖4為三相異步電動機軟啟動控制中的反并聯(lián)晶閘管模塊，由3對反并聯(lián)的晶閘管組成。圖5為模糊控制模塊，其輸入端為三相異步電動機A相電流的有效值，其輸出是用來控制