基于晶閘管模糊控制的電動機軟起動研究

楊莉媛 崔建明 凌文豪

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024；2.黑龍江海事局，哈爾濱 150010）

目前很多場合的電動機使用直接起動方式。直接起動方式雖然簡單，但是電動機在直接起動時會產(chǎn)生很大的瞬間沖擊電流，其起動電流有效值可高達(dá)額定電流的 4-7倍，甚至更大，對電網(wǎng)、電動機及機械設(shè)備都有很多的危害。

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，各種電力電子器件出現(xiàn)，基于晶閘管調(diào)壓原理的電機軟起動器逐漸發(fā)展起來。電動機軟起動器解決了電壓連續(xù)可調(diào)的問題，省去接觸器、繼電器等設(shè)備，減小了設(shè)備體積，具有可控性好等優(yōu)點。軟起動器是一種用于控制鼠籠式異步電動機的新設(shè)備，集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能且集多種保護(hù)功能于一體的新型電機控制裝置。電動機軟起動器一般以大功率雙向晶閘管構(gòu)成三相交流調(diào)壓電路，通過控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，實現(xiàn)電動機的無觸點降壓軟起動、軟停車和輕載節(jié)能的目的[1-2]。

1 電動機軟起動原理

1.1 電動機軟起動方式

軟起動就是要在各方面都達(dá)到“軟”的效果，目前有三種電動機軟起動方法，基于變頻器的軟起動、可控硅串聯(lián)式軟起動以及開關(guān)變壓器式軟起動。

1）基于變頻器的軟起動

用變頻器做軟起動裝置其性能是非常理想的，它的電壓和頻率都能連續(xù)從零起調(diào)，保持電動機有較小的轉(zhuǎn)差率，因此可以做到無過流，起動力矩也大，具有很好的起動性能。隨著變頻技術(shù)的進(jìn)步，基于變頻器的軟起動的技術(shù)應(yīng)用也會越來越多[3]。

2）可控硅串聯(lián)式軟起動

該方式的電路形式是直接由低壓軟起動電路演變過來的，由于電源電壓高，單只可控硅不能滿足其耐壓要求，故選用多只可控硅串聯(lián)。這種裝置的起動性能可達(dá)到全方位的軟起動性能，即電壓、電流都能從零起連續(xù)可調(diào)，能完全免除對電網(wǎng)的沖出和對電動機及機械設(shè)備的沖擊，控制靈活，重復(fù)精度高[4]。

3）開關(guān)變壓器式軟起動

開關(guān)變壓器式電動機軟起動方法是用開關(guān)變壓器來隔離高壓和低壓，開關(guān)變壓器的低壓繞組與可控硅和控制系統(tǒng)相連，通過改變其低壓繞組上的電壓來改變高壓繞組上的電壓，從而達(dá)到改變電動機端電壓的目的，以實現(xiàn)電動機的軟起動。該起動方式對電動機無操作過電壓傷害，無轉(zhuǎn)矩沖擊對電網(wǎng)無沖擊；控制靈活，重復(fù)精度高；可靠性高；功耗小；高次諧波少[5]。

本文采用的電動機的軟起動方式就第二種起動方式。由于電動機的起動電流與電動機定子的端電壓成正比，電動機的轉(zhuǎn)矩與電動機定子端電壓的平方成正比，所以通過控制電動機定子端電壓就可以控制電動機的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩，從而達(dá)到即節(jié)能，又平穩(wěn)的起動電動機的目的。

1.2 晶閘管輸出電壓

電動機軟起動的控制要根據(jù)起動電流的變化控制定子上所需加入的電壓，也就是晶閘管的輸出電壓，電動機才能平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)，因此清楚晶閘管輸出電壓的影響因素是十分必要的。

感應(yīng)電動機是可變的感性負(fù)載，功率因數(shù)角隨轉(zhuǎn)速變化而變化，則在電流續(xù)流期間晶閘管輸出的電壓也隨轉(zhuǎn)速變化。功率因數(shù)角減小，則通過這段角度的電壓也必然減小。晶閘管觸發(fā)角決定了其后面導(dǎo)通電壓的大小，觸發(fā)角越小，其后輸出的電壓就越大。一般情況下，晶閘管工作時要求對電源的正負(fù)半周進(jìn)行對稱觸發(fā)。設(shè)電源電壓u=Us in ωt，此時，晶閘管的輸出電壓有效值為[6]

由上式可見，晶閘管輸出電壓UL既是觸發(fā)角α的函數(shù)，也是續(xù)流角?的函數(shù)。因此按一定的控制策略調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角α，就可以使電壓有效值UL按期望規(guī)律變化。

1.3 模糊控制

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制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，具有很強的魯棒性。其實現(xiàn)形式如圖1所示。

圖1 模糊控制實現(xiàn)框圖

輸入量為給定起動電流值igU與被檢測感應(yīng)電動機起動電流信號iqU的偏差和偏差變化率, 輸出量為感應(yīng)電動機的起動電流qI。其中模糊控制器的輸出為雙向晶閘管觸發(fā)電路觸發(fā)角α的給定值aU。

2 電動機軟起動的模糊控制算法的設(shè)計

2.1 模糊控制器的硬件設(shè)計

硬件電路框圖如圖2所示，它以ATMEL 公司的 AT89C51 系列單片機為核心構(gòu)成模糊控制器的硬件電路。運算放大器 LM324（1）把檢測到的感應(yīng)電動機起動電流信號iqU變?yōu)?～5V電壓。A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809把電流給定值的模擬信號igU和檢測到的起動電流信號分別進(jìn)行采樣變?yōu)橄鄳?yīng)的數(shù)字信號送給 AT89C51 單片機進(jìn)行處理。D/A 轉(zhuǎn)換器DAC0832 把 AT89C51 輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，經(jīng)運算放大器 LM324（2）變?yōu)?0～10V 電壓信號aU作為雙向晶閘管觸發(fā)電路的控制電壓，用于控制觸發(fā)電路輸出脈沖的觸發(fā)角α。當(dāng)電動機電壓達(dá)到額定電壓時，驅(qū)動電路輸出UJC用于驅(qū)動晶閘管調(diào)壓電路中的接觸器觸點JC閉合。

2.2 交流調(diào)壓電路的設(shè)計

調(diào)壓電路是由3個TCA785集成觸發(fā)電路和串聯(lián)于電動機三相供電電路上的 3只雙向晶閘管組成。通過模糊控制器的輸出來控制觸發(fā)電路輸出脈沖觸發(fā)角α的大小，由此改變電動機輸入電壓的大小，以達(dá)到控制電動機起動電流的目的。當(dāng)電動機起動完成并達(dá)到額定電壓時，使三相旁路接觸器觸點JC吸合，電動機直接投入電網(wǎng)運行，完成軟起動過程。

圖2 硬件電路框圖及晶閘管調(diào)壓電路

2.3 軟起動器系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

外界干擾信號能夠引起軟起動器誤操作，造成軟起動失敗，因此行之有效的抗干擾措施對軟起動器的穩(wěn)定運行具有重要意義。本系統(tǒng)僅就硬件方面做了相應(yīng)的抗干擾措施[7]即電源抗干擾設(shè)計。在使用多路隔離高頻變壓器產(chǎn)生的直流電源之前進(jìn)行濾波，即在電源與地之間接入100nF的無極性電容，從而有效地濾除雜波，保證了所提供的直流電源的干凈，進(jìn)而保證了軟起動器系統(tǒng)所使用直流電源的穩(wěn)定。

3 三相電動機軟起動控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

模糊控制輸出量的求取采用查表法。程序中完成起動 ADC0809 對給定起動電流值和感應(yīng)電動機起動電流信號的采集、求電流偏差及變化率、查模糊控制表、起動DAC0832 進(jìn)行輸出量的D/A 轉(zhuǎn)換等工作，程序流程圖如圖3所示。

4 感應(yīng)電動機軟起動控制系統(tǒng)的仿真模型

在Matlab的Simulink中建立的異步電動機軟起動控制仿真原理圖如圖4所示，由三相交流電壓源，三相交流調(diào)壓模塊，異步電動機測量模塊，模糊控制環(huán)節(jié)，異步電動機模塊等構(gòu)成。

4.1 感應(yīng)電動機模塊

本文選擇的感應(yīng)電動機的額定功率為2.2KW，額定電壓為380V，額定電流為5A，頻率為50Hz，定子電阻為10.6?，定子電感為0.04H，轉(zhuǎn)子電阻為5.8?，轉(zhuǎn)子電感為0.04H，勵磁電感為0.46H，轉(zhuǎn)動慣量為0.1kg·m2，磁極對數(shù)為2。

4.2 模糊控制器模塊

本文設(shè)計的模糊控制器，為一雙輸入單輸出的結(jié)構(gòu)[7]，輸入變量E（電流偏差）的模糊論域為[-6，6]，輸入變量EC（電流變化率）的模糊論域為[-0.6，0.6]，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”}。

圖3 軟件程序流程圖

圖4 異步電動機軟起動控制仿真原理圖

5 仿真結(jié)果

在圖5所示Fuzzycontrolsystem模塊中，輸入變量In1為電流偏差，輸入變量In2為電流變化率，輸出變量Out為觸發(fā)角的大小，它們隸屬函數(shù)均為三角形隸屬函數(shù)。以E變量為例給出了其隸屬函數(shù)圖，及曲面觀測器圖，如圖6、圖7所示。

圖5 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

圖6 電流偏差的隸屬函數(shù)圖

圖7 曲面觀測器

6 結(jié)論

用模糊控制實現(xiàn)對感應(yīng)電動機恒流軟起動控制的方法，系統(tǒng)超調(diào)量小、響應(yīng)快，起動電流平穩(wěn)，對電網(wǎng)、電動機和負(fù)載的沖擊小，能較好地解決傳統(tǒng)方法起動存在的缺點，提高整個系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序均較簡單、易于實現(xiàn)。由于各電動機的參數(shù)不同，使用同一種控制規(guī)則，可能不能達(dá)到最優(yōu)的目的，因此還可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)進(jìn)行研究。

[1] 徐甫榮,崔力.交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)研究[J].電氣傳動自動化,2003, 25(1):1-7.

[2] 李景新,汪至中.異步電機的限流起動控制[J].電力電子技術(shù),1997, 31(4):52-54.

[3] 顧繩谷.電機及拖動基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.

[4] 余永權(quán).單片機模糊邏輯控制[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,1996.

[5] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[6] 黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京: 機械工業(yè)出版社,1999.

[7] 張國良,曾靜,鄧方林.模糊控制及其 MATLAB 應(yīng)用[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2002:85.