異步電動機的模糊軟起動仿真①

樊立萍，張 亮

（沈陽化工學院信息工程學院，沈陽 110142）

交流異步電動機應用廣泛、維護方便，但是異步電動機直接起動會產生較大的沖擊電流，使配電系統中產生較大壓降，影響其他設備的正常運行，加速電機的老化及機械損壞；而采用軟起動控制技術能夠抑制電動機的起動電流，并在限制時間內將它驅動到額定轉速［1］。軟起動時，起動電流一般為額定電流的2～3倍，電網電壓波動率一般在10%以內，對其它設備的影響非常小；最大電流降低一半左右，瞬間發熱量僅為直接起動的1／4左右，絕緣壽命會大大延長；軟起動時電機端電壓可以從零起調，可完全免除過電壓傷害。軟起動，有液阻軟起動、磁控軟起動和晶閘管軟起動等方式，其中以晶閘管軟起動方式最優，其主電路采用晶閘管交流調壓器，用電流反饋控制使輸出電壓連續地改變來保證恒流起動［2］。

交流異步電動機的軟起動過程是非線性的，常規控制方法是采用傳統精確PID控制，這種控制方法是建立在被控對象的經學數學模型上的，不能擺脫由非線性和參數變化帶來的影響；而且PID參數整定要求較高，很難滿足實際生產要求，故采用傳統的PID控制方法往往不能達到滿意的控制效果［3］。

模糊控制作為一種有別于傳統控制理論的控制方法，具有不需要對象數學模型、能充分運用控制專家的經驗信息及具有良好魯棒性的優點。本文采用模糊控制算法，根據人工控制規則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小；基于MATLAB仿真軟件，實現交流異步電動機軟起動控制的模擬運行。

1 感應電機數學模型

根據交流電機理論，考慮鐵心損耗的異步電機的單相靜態等值電路可以用圖1來表示。圖中的Lm為互感系數，Rm為鐵心等效電阻，它與輸入電源的頻率、磁通大小及變化率有關系。

圖1 異步電動機等值電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of induction motor

磁鏈方程

電磁轉矩

其中uds、uqs、udr、uqr、Ψds、Ψqs、Ψdr和Ψqr為d、q坐標系下感應電機定子、轉子的電壓和磁鏈；p為時間微分算子；Lss＝Lm＋L1s；Lrr＝Lm＋L1r；Rs、Rr和L1s、L1r分別為定子和轉子繞組的電阻及漏感。電機起動電流公式

其中Us為定子相電壓；np為磁極對數；w為角頻率；RS、R′r和L1s、L′1r分別為定子、轉子電阻和漏感。

對于一般的異步電動機，起動電流和起動轉矩等于額定值的倍數大約為

采用軟起動控制方法減小起動電流，可以獲得良好的起動效果［1］。

2 電機軟起動原理

軟起動是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新型電機控制方式。它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯晶閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能。

T2、T3時間點A組的VAS疼痛評分低于B組（P＜0.05）。同時在泵注過程中未發現因為心率減慢和低血壓而導致泵注劑量減少的情況。見表2。

電動機軟起動器的主電路采用晶閘管交流調壓電路實現降壓起動，晶閘管控制方式采用相位控制，控制其導通角。當使用軟起動器起動電機時，隨著晶閘管輸出電壓的逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定的機械特性上，從而，電動機實現平滑起動，降低起動電流；待電機達到額定轉速時，起動過程結束。此時，軟起動器可自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以便降低晶閘管的熱損耗，延長其使用壽命，提高工作效率，使電網避免了諧波污染。另外，根據電機學原理，當電動機的輸入電源頻率不變時，電動機的輸出轉矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟起動不僅使電動機電壓連續平滑的增加，實現了升壓限流控制，而且避免了電動機起動轉矩的沖擊［4，5］。

3 軟起動控制系統設計

3.1 軟起動系統構成

現代帶電流閉環的電子控制軟起動器可以限制起動電流并保持恒值，直到轉速升高后電流自動衰減下來，其起動時間短于直接起動及一級減壓起動。

圖2 軟起動控制系統框圖Fig.2 Block diagram of soft－start control system

交流異步電動機軟起動控制系統由三相交流電壓源、晶閘管調壓器、同步電壓采集和異步電動機構成。其中，三相晶閘管的每一相都由兩個反并聯的晶閘管構成；同步電壓采集的信號由交流電源相電壓獲得，并作為脈沖發生器的基準參照信號，確保信號的正確觸發；通過檢測獲得三相電流，經由調節器輸出的脈沖觸發角信號送到脈沖生成器；脈沖生成器利用同步電壓信號調節相位脈沖，控制觸發角時刻和大小［2，4，6］。

3.2 模糊控制器設計

在模糊控制器中，其輸入變量為交流電機定子實際輸出電流與期望值的偏差e及其偏差的變化率ec，輸出變量u為晶閘管觸發角調節量。設e和u論域均為｛－10，－6，－3，0，3，6，10｝，相應的模糊集合為｛PB，PM，PS，P0，N0，NS，NM，NB｝，分別表示正大、正中、正小、正零、負零、負中和負大。ec論域為｛－10，－6，－3，0，3，6，10｝，相應的模糊集為｛N，Z，P｝，分別表示負、零和正。隸屬度函數形狀對模糊控制器的性能有很大影響。當隸屬度函數比較窄時，控制較靈敏；反之，控制較粗略和平穩。隸屬度函數可按正態分布算得到。圖3和圖4為模糊控制器變量e（u）、ec的隸屬度函數曲線［7，8］，其中

圖3 e的隸屬度函數Fig.3 Membership functions of e

圖4 ec的隸屬度函數Fig.4 Membership functions of ec

模糊推理系統采用Mamdani類型，即采用如下形式的模糊蘊含關系：

if（e is A）and（ec is B）then（u is C）

模糊控制規則是模糊控制器的核心，本系統的模糊控制規則由模糊判決采用加權平均原則獲得，即由下式計算得到模糊規則。

式中：u0為清晰化值，ui為自變量的取值，μc（ui）為對應于ui的隸屬度。

4 仿真結果

在建立好良好的交流電機軟起動控制系統仿真模型基礎上，對控制系統進行計算機仿真。選用電動機參數如下。

P＝1.3 k W，Rs＝0.453Ω，Rr＝0.816Ω，Lm＝0.069 H，J＝0.089 kg·m2，基頻為50 Hz，極對數為2。

在仿真過程中，采用恒定負載轉矩11.87 N·m，仿真時間為3 s。并分別對交流電動機直接起動控制系統及模糊軟起動器實現的控制系統進行仿真。

圖5至圖7為電機采用直接起動方式的仿真結果；圖8至圖10為采用模糊控制方法實現的軟起動控制方式的仿真結果。

圖5 直接起動定子電流曲線Fig.5 Stator current curve under direct start

圖6 直接起動轉速曲線Fig.6 Speed curve under direct start

圖7 直接起動轉矩曲線Fig.7 Torque curve under direct start

圖8 模糊軟起動定子電流曲線Fig.8 Stator current curve under fuzzy soft－start

圖9 模糊軟起動轉速曲線Fig.9 Speed curve under fuzzy soft start

圖10 模糊軟起動轉矩曲線Fig.10 Torque curve under fuzzy soft start

由圖5至圖10可見，基于模糊控制方法，定子電流和轉矩在起動瞬時沖擊量明顯減弱，變化趨于平穩。所以采用模糊規則建立的基于模糊軟起動控制方法，能有效抑制起動電流，從而減少過大起動電流和轉矩對設備的損壞。

5 結論

仿真研究表明，采用模糊控制算法實現的軟起動控制系統，能有效降低起動電流，且起動過程平穩、可靠，沖擊電流小，能達到起動過程恒流控制的目的。

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