三相異步電動機直接啟動與限流式軟起動的MATLAB對比仿真

王智宇

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030000）

三相異步電動機直接啟動與限流式軟起動的MATLAB對比仿真

王智宇

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030000）

利用MATLAB軟件對直接啟動和限流軟啟動整體系統(tǒng)進行仿真，對比兩種啟動方式下的啟動電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的波形，得出限流軟啟動方式確實可以在電機順利啟動的前提下，減小啟動電流，從而優(yōu)化電機啟動性能的結(jié)論。

異步電機；直接啟動；軟啟動；仿真

1 交流電機軟啟動基本模塊仿真

1.1 同步移相模塊

三相交流調(diào)壓電路的控制角α=0的點在各個相電壓超過零點，所以同步信號需要獲取電源相電壓信號，并不屬于線電壓。并且就實質(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流動存在極大的關(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)，我們選取了電壓測量模塊來當(dāng)成輸入電氣信號與輸出Simulink信號的中間接口。

1.2 晶閘管調(diào)壓模塊

對于晶閘管調(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，并且簡化電路，使之一目了然。如圖1所示，對每一組反并聯(lián)的晶閘管進行了封裝。這個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機的負(fù)載特性是阻感性的，電流會比電壓滯后一個功率因素角。如將電壓作為同步信號的檢測信號，將電壓的過零點作為同步信號的過零點，電流卻沒有同時過零。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)信號就已經(jīng)消失，那么，晶閘管就無法正常工作，整個電路就達(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的觸發(fā)信號。觸發(fā)模塊如圖2所示，只要將這樣的三個觸發(fā)電路接到晶閘管調(diào)壓電路中，就可以實現(xiàn)對晶閘管的觸發(fā)。

這個模塊主要用到的模型為延遲（Relay）和斜率設(shè)定（Rate Limiter）兩個模型，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 電機及顯示模塊

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

電機具體參數(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)動慣量為J=0．189kg·m2，極對數(shù)p=2。總線選擇模塊（Bus Selector）是一種在其輸入輸出的總線元素中選定子集，通過它來選擇測量電機的三相定子電流、轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)矩。

1.5 軟啟動限流控制模塊

（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)計傳統(tǒng)的PID控制器來控制三相鼠籠式異步電機的啟動電流，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中的“被控對象”為交流調(diào)壓電路和感應(yīng)電機，輸入量c為系統(tǒng)給定，即為電機最大啟動電流的設(shè)定值，控制的理想目標(biāo)為：在電機的啟動過程中，其啟動電流保持在該設(shè)定值，即實現(xiàn)電機的恒流啟動。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）限流軟啟動控制系統(tǒng)模塊如圖4所示。就本質(zhì)而言，軟啟動就是降低電壓，而降低電壓則需要將啟動電流抑制在一定范圍內(nèi)。在啟動中給定一初始電壓，通過它來抑制啟動沖擊電流，在電流逐步衰減的過程中使得電壓持續(xù)增大，當(dāng)電流降低到一個安全值時，將電流維持住，在消除電流沖擊的同時，又盡可能的保證足夠的轉(zhuǎn)矩。圖中利用加法器，將啟動電流的反饋信號和設(shè)計的給定值整合，會得到一個電流偏差，之后再通過滯環(huán)比，形成方波。在反饋電流較大時，輸出0，給定電流較大時，輸出1。Constant3的設(shè)計輸入為初始啟動電壓，我們可以直接輸入對應(yīng)控制角，通過公式Fcn(10×u(1)/180)的換算，輸出啟動電壓。Constant1為加速電壓，與Relay輸出值一起進入乘法器，輸出值再經(jīng)過比例積分作用，與初始啟動電壓一同進入加法器作用。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，乘法器接收到零信號，PI失去作用，啟動電壓不會改變，直到啟動電流衰減；當(dāng)反饋電流小于給定電流時，乘法器接收到1信號，之后通過比例積分環(huán)節(jié)，與給定電壓經(jīng)過加法器，增大啟動電壓。兩種狀態(tài)在啟動過程中交替轉(zhuǎn)換保證恒流啟動。

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 三相異步電動機直接啟動和軟啟動系統(tǒng)仿真

2.1 直接啟動

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

圖4 軟啟動限流模塊

2.2 限流軟啟動

軟啟動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、給定計分器模塊等，具體由圖6能夠得知，在實際啟動過程里，憑借控制器來改變晶閘管控制角的大小，電機機端電源在持續(xù)增大，憑借仿真能夠?qū)泦悠鞯碾娏飨拗菩Ч⑥D(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，仿真時間設(shè)置為6s，步長計算為ode15，啟動時電機的啟動轉(zhuǎn)矩非常小，設(shè)置為0．5，然后開始仿真。

3 直接啟動與軟啟動的仿真結(jié)果對比分析

圖5 直接啟動仿真模型

圖6 限流軟啟動仿真圖

3.1 直接啟動與軟啟動的對比分析

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

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

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

圖7 直接啟動的定子電流

圖8 限流軟啟動的定子電流

圖9 直接啟動的啟動轉(zhuǎn)矩

圖10 限流軟啟動的啟動轉(zhuǎn)矩

圖11 直接啟動的轉(zhuǎn)速變化

圖12 限流軟啟動的轉(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，是電機的定子電流反饋信號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)反饋信號大于30A時，乘法器輸入為0，PI調(diào)節(jié)器不起作用，當(dāng)反饋信號小于30A時，乘法器輸出為1，再經(jīng)過與常數(shù)模塊3的相乘，得到一個幅值為3的方波。

圖14 示波器Uct3的波形

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