基于模糊控制的三相異步電動機軟啟動器設計

王 穎，單寶鑫，李智超，孫延飛

（三一重型裝備有限公司，遼寧沈陽 110027）

1 引言

三相交流異步電動機啟動瞬間轉速為零，感應電動勢也為零，因此電機繞組的等效阻抗很低。此時如果不降低繞組電壓，則繞組電流將遠高于額定電流。以前常用△-Y法、定子串電阻或電抗法、自耦變壓器降壓啟動，然而它們都是一級降壓起動，啟動過程中電流有兩次沖擊，其幅值雖比直接啟動電流低，但啟動過程時間較長，且都無法對電機的啟動電壓進行連續(xù)調(diào)節(jié)，因而導致電機啟動時仍然存在較大的沖擊電流。而軟啟動器能很好的解決這一問題，它能使啟動電壓由零慢慢提升到額定電壓，使啟動電流始終處于可控狀態(tài)。待電機達到額定轉速時，啟動器晶閘管旁路的接觸器閉合，于是軟啟動過程結束。軟停車過程與軟啟動過程相反，停車過程中逐步降低繞組電壓，最后使轉速降為零［1］。

由于交流電動機本身是一個高階、非線性的被控對象，在運行過程中，電機參數(shù)的變化會引起電機模型的變化和不確定性，傳統(tǒng)的PID控制方法難以達到理想的控制效果，在啟動過程中容易產(chǎn)生振蕩。

本文采用快速調(diào)節(jié)能力強的模糊智能控制技術來解決這個問題。文中詳細分析了異步電動機啟動和運行過程中的功率因數(shù)角特性，并讓電機功率因數(shù)角參與系統(tǒng)的反饋控制，為電機的輕載節(jié)能運行提供了可靠依據(jù)。

2 軟啟動器在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

近三十年來，國外對晶閘管軟啟動器進行了大量的研究，并使其廣泛應用于工業(yè)領域。許多著名的電氣公司生產(chǎn)的智能軟啟動器最大功率能達到數(shù)千甚至上萬千瓦。

國內(nèi)對智能軟啟動器的研究開始較晚，尤其在系統(tǒng)的控制策略和控制算法方面的研究才剛剛起步。國內(nèi)軟啟動器相當一部分的市場份額被國外生產(chǎn)廠家占據(jù)著，為了順應時代發(fā)展的要求，開發(fā)出一款節(jié)能、高效、可靠性高的軟啟動器是有必要的。

3 軟啟動過程中功率因數(shù)角的動態(tài)分析

如圖1所示，U、V、W為直接作用在電機繞組上的三相電網(wǎng)電壓；Ia、Ib、Ic為起動過程中經(jīng)過晶閘管的三相電流；Φ為可測功率因數(shù)角；α為晶閘管的觸發(fā)延遲角；β為晶閘管斷續(xù)時間。由于電機是一個典型的感性負載，對電流有明顯的續(xù)流現(xiàn)象，所以某一時刻（不妨設為t0）電壓與電流信號過零點處存在一個相位差Φ0，即功率因數(shù)角。從圖中不難看出，在Φ0一定時，改變α便可以改變β，進而改變電機繞組電壓。但由于電機功率因數(shù)角Φ在起動過程中隨著轉速的升高而減小，使Φ0在t1時刻減小ΔΦ變?yōu)棣?，所以有必要將功率因數(shù)角變化量ΔΦ作為啟動器晶閘管觸發(fā)角的修正量，以免在啟動及停車過程中，因電機斷口輸入電壓的變化而引起電磁轉矩和電流的振蕩，并能在保證啟動轉矩的同時加快電機起動速度［2］［3］。

圖1 功率因數(shù)控制過程

4 三相異步電動機軟啟動器設計

4.1 軟啟動器硬件電路設計

圖2 系統(tǒng)硬件電路圖

如圖2所示，硬件部分包含電壓傳感器、電流傳感器、晶閘管驅(qū)動電路以及FP系列控制器。3個電壓（流）傳感器用來檢測三相電壓（流），并實時把它們成比例的轉化成弱電信號送進控制器；驅(qū)動電路能將控制器輸出的弱電觸發(fā)信號與晶閘管的驅(qū)動信號隔離，提高控制器的可靠性。KM1、KM2、KM3為接觸器，當軟起動以及軟停車結束時，接觸器觸點閉合，額定電壓加至電機繞組上。由于電機本身呈感性，為使軟啟動后系統(tǒng)的功率因數(shù)得到提高，可在主通路上分別反向串入等值的附加電感，如圖中的L1、L2和L3，其大小等于負載電機的等效電感值。作為系統(tǒng)核心的控制器包括以下幾個部分：AFP02543型控制單元，具有16個輸入點以及16個晶體管輸出點；AFP0631型電源模塊；AFP0401型模擬輸入8通道及AFP0610型通信單元?？刂破鬟\算速度為0.9μs/步，如果核心控制步驟為150步的話，每掃描更新的時間不到0.2ms，而電網(wǎng)頻率約為50Hz，周期為20ms，即每周期內(nèi)控制器掃描100次。以這樣的速度再配合著適當?shù)哪：刂扑惴?，可以有效避免起動過程中電流過大的尖峰。

4.2 軟啟動器軟件設計

如圖3所示為系統(tǒng)軟件流程圖。系統(tǒng)初始化后開放外部中斷，包括斷相保護中斷、相序檢測中斷、過/欠壓保護中斷和過流保護中斷，并使能控制器內(nèi)部的A/D轉換器和軟件濾波模塊，隨時準備將各相電壓、電流互感器的采樣值作A/D轉換，并進行軟件濾波，一旦發(fā)現(xiàn)斷相、相序錯誤或者過流及過/欠壓，立即警報并停機。按下啟動按扭5秒后，開放定時器中斷t0。記錄各相電壓的每一個過零點，將各相電壓相鄰過零點分別作為正/負向同步信號的起止點。同步信號的獲得是為觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生提供一個時間基準，利用各相電壓與電流值過零點的相位差求出各相功率因數(shù)角。最后利用液晶顯示程序模塊將三相電壓、電流及功率因數(shù)值顯示在液晶屏幕上。

由于啟動時始終需要控制電流于一個較低水平（為負載電機額定工作電流的2～3倍），所以控制的核心思想是“恒流”。對于電機這一高階、非線性的被控對象而言，選用模糊控制替代傳統(tǒng)的PID控制是合適的。但僅以電流為控制量還不夠，因為啟動時功率因數(shù)角Φ會隨轉速的提高而呈指數(shù)增加，在某些特殊的工作環(huán)境（如煤礦井下等）還會遭遇不同程度的電磁干擾，使電流波形發(fā)生嚴重的畸變，所以為了啟動過程中保持較高的功率因數(shù)，有必要讓功率因數(shù)角Φ作為另一個控制量，控制方法仍需采用模糊控制。如圖3所示，模糊控制表1與表2分別是以電流與功率因數(shù)角Φ為基本變量來編寫。等到“模糊控制表查詢及反模糊化操作”中斷結束后，將兩結果求和，并進行D/A轉換，然后返回主程序。鍵盤掃描中斷為用戶現(xiàn)場或者遠程操控而專門設計，并負責系統(tǒng)的啟、?？刂啤Ｖ档米⒁獾氖牵：刂票?與表2嚴格的說分別包括表1.1～1.3以及2.1～2.3，其中“.”后的數(shù)字對應R、S及T三相［4］。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

應該指出的是，起動過程結束后，控制器中的A/D轉換器仍處于“激活”狀態(tài)，即使定時器中斷t0沒開放也不影響對各相電壓、電流及功率因數(shù)的監(jiān)測。

5 結束語

實踐應用的結果表明，上述設計的電機軟啟動器具有一定的兼容性，在電機啟動過程中能有效降低沖擊電流，通過電能功率測試儀監(jiān)控啟動時電能質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)軟啟動器能有效改善功率因數(shù)；在軟起動過程結束后，依然能夠?qū)崟r監(jiān)測三相電壓、電流及功率因數(shù)等參數(shù)；應用于復雜系統(tǒng)時，也可以直接與主控制器交換這些參數(shù)，能節(jié)約設計成本。將功率因數(shù)作為啟動過程的控制量，控制電網(wǎng)電壓波形不發(fā)生畸變，同時軟啟動速度也可以得到提高。

［1］樊立萍，張 亮.異步電動機的模糊軟啟動仿真［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，2011，23（3）：123-126.

［2］陳忠華，劉 勛，郭鳳儀.模糊自適應PID控制的異步電動機軟啟動器的研究［M］.電氣傳動，2010，40（5）：49-52.

［3］劉華毅，龔 勛.三相異步電動機軟起動器的設計.儀器儀表用戶，2008，15（4）：57-59.

［4］曹 沛，吳 雷，張興進，趙小林.一種基于自關斷器件的新型軟啟動器.電力電子技術，2011，45（10）：49-51.

［5］劉恩鵬，賈存良，金 立，陳茂樹.晶閘管控制異步電機軟啟動過程中振蕩現(xiàn)象研究.電氣傳動，2001，41（8）：48-51.