基于模糊控制算法電機(jī)軟起動仿真

1、目錄1 異步電機(jī)的工作原理及傳統(tǒng)軟啟動方式1.1異步電機(jī)的工作原理電動機(jī)工作原理為：當(dāng)電動機(jī)的三項(xiàng)定子繞組（各相差120度電角度），通入三項(xiàng)交流電后，將產(chǎn)生一個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)軸上形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動電動機(jī)旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向相同。異步電動機(jī)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(shí)，就產(chǎn)生了一個(gè)同步轉(zhuǎn)速n1，沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(yùn)行時(shí)定子繞組采用接法的電動機(jī)。定子有6個(gè)接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，啟動時(shí)采用星形接法，啟動完畢后再切換成接法。啟動電壓較運(yùn)行電壓降低了3倍。這種啟動設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)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(jī)，一般有幾個(gè)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(jī)啟動后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費(fèi)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(jī)啟動過程中電壓可由一

4、個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，啟動特性變軟，并可實(shí)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(jī)，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)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(jī)，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(diǎn)(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(gè)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(jī)構(gòu)，移動速度較慢，難以實(shí)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(bǔ)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(jī)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(jī)數(shù)字控制的調(diào)壓(電流)節(jié)能的電機(jī)軟啟動設(shè)備。它

6、主要是串接在電機(jī)電源回路中，實(shí)時(shí)控制電動機(jī)的啟動電壓或電流，由此起到調(diào)整電機(jī)的啟動力矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動。電子軟啟動可以滿足電動機(jī)軟啟動、軟停機(jī)及運(yùn)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(yùn)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(jī)軟啟動控制器，并能適用于任何負(fù)載場合的電動機(jī)的控制。它是接在三相交流電源與三相交流電動機(jī)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(jī)的硬性特性的要求，可分別獨(dú)立設(shè)定電機(jī)的軟啟動、軟停機(jī)時(shí)間

7、；二是實(shí)現(xiàn)運(yùn)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(jī)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(yùn)行方式分為：節(jié)能運(yùn)行方式、全壓運(yùn)行方式、接觸器旁路運(yùn)行方式。2.2電動機(jī)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(jìn)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(jìn)步，但在某些工作狀態(tài)下應(yīng)用時(shí)，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(jìn)行軟啟動的。啟動時(shí)電動機(jī)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(shí)間短；Ism小，啟動轉(zhuǎn)矩小，啟動時(shí)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(shí)，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(jī)的啟動過程分為兩個(gè)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(shí)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(shí)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(jī)、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(gè)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(jìn)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(shí)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(jī)、磨煤機(jī)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(yùn)行方式(1)、在線運(yùn)行軟啟動。軟啟動器產(chǎn)品剛上市時(shí)，主要是國外的品牌，如施奈德，西門子等，但他們都是在線運(yùn)行方式。在應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)在線運(yùn)行有7個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)：晶閘管長期在線運(yùn)行功耗太大造成能源浪費(fèi)：晶閘管的散熱量太大需要機(jī)械冷風(fēng)，給成套帶來很大的困難：晶閘管長期在線運(yùn)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(yuǎn)低于機(jī)械開關(guān)：造價(jià)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(diǎn)：電動機(jī)的啟動與保護(hù)及控制集于一體，強(qiáng)大的智能控制器全部發(fā)揮作用，由于采用機(jī)械冷風(fēng)能夠適用頻繁啟

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

13、計(jì)了一套機(jī)械觸頭與晶閘管并聯(lián)，在電機(jī)軟啟動和軟停車過程中由晶閘管運(yùn)行，機(jī)械觸頭斷開，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)晶閘管斷開，機(jī)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(gè)裝置，以稱為在線運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是具備上述兩種類型的所有優(yōu)點(diǎn)同時(shí)回避它們各自的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：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(yùn)行所帶來的功耗和散熱；體積??；強(qiáng)大智能控制器得以全面發(fā)揮，能對電動機(jī)起到啟停與保護(hù)控制；節(jié)省成套空間；由于晶閘管和機(jī)械觸頭組合一體的設(shè)計(jì)，通過智能控制器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械自動化。觸頭無電弧，使得機(jī)械觸頭的電壽命等于機(jī)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(jī)械觸頭采用了無電弧控制，其銀點(diǎn)的硬度降低，因此觸點(diǎn)的接觸電阻也降低；從而使機(jī)械觸頭的閉合壓力大大降低，機(jī)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(shí)間不超過2min，不超過30次/小時(shí)，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(jī)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(jī)的24.5倍。不頻繁下充分利用管子的短時(shí)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(hù)、斷相保護(hù)和溫度補(bǔ)償功能的熱過載繼電器。具體選用時(shí)，要使電動機(jī)的工作電流在熱元件整定電流范圍以內(nèi)。工作時(shí)容易過載的設(shè)備，要使電動機(jī)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(yàn)，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(shí)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(qiáng)的魯棒性。該系統(tǒng)針對三相異步電動機(jī)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(jī)起動電流與設(shè)定值之差E及其一個(gè)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?？刂七^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(jī)晶閘管的觸發(fā)角，改變?nèi)喈惒诫妱訖C(jī)的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)軟起動。本文的三相異步電動機(jī)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(jī)起動電流值的偏差值，電流變化率為一個(gè)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(xì)。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(shí)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)”?；谝陨峡紤]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(jī)起動電流產(chǎn)生較大的波動，同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用中三相異步電動機(jī)調(diào)節(jié)所能達(dá)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(gè)輸入變量有7個(gè)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(jì)算： 4 設(shè)計(jì)方案4.1 電機(jī)軟啟動模型設(shè)計(jì)  圖4.1為三相異步電動機(jī)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(jī)模塊、電動機(jī)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(jī)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(jī)A相電流的有效值，其輸出是用來控制觸發(fā)脈沖器的觸發(fā)延遲角