1 引言
三相異步電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的危害。本文采用三相反并聯(lián)晶閘管控制導(dǎo)通電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。但要使電機(jī)的定子電壓按某一特定規(guī)律變化是很困難的，原因是：電機(jī)的續(xù)流角決定于其功率因數(shù)角，而功率因數(shù)角又與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷變化，會(huì)導(dǎo)致功率因數(shù)角的變化。因此，本文提出將模糊控制應(yīng)用于中壓異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的控制中，有效解決了電流振蕩問(wèn)題，獲得較好的控制效果。
2 功率因數(shù)角時(shí)變引起的電流振蕩問(wèn)題
根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)t型電路進(jìn)行等效，電機(jī)的功率因數(shù)角為相電壓與相電流的相位差，它等于電機(jī)單相阻抗z的阻抗角， 
。當(dāng)電機(jī)參數(shù)已知時(shí)，阻抗z為給定的電機(jī)，在給定的頻率下其同步轉(zhuǎn)速ns是固定的。
由n=ns(1-s)及上式可得電機(jī)的功率因數(shù)角θ與電機(jī)轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關(guān)系θ=f(n)，即可得出某4極三相電機(jī)函數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。
圖1 4極三相電機(jī)函數(shù)關(guān)系曲線(xiàn)
從圖1可以看到，在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的功率因數(shù)角θ變化非常大：電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速n的上升，θ角逐漸減小，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，θ角達(dá)到最小值，如圖1中第1 段曲線(xiàn)所示；當(dāng)電機(jī)處于輕載運(yùn)行狀態(tài)下時(shí)，其轉(zhuǎn)速可以進(jìn)一步提升，此時(shí)，功率因數(shù)角θ又隨轉(zhuǎn)速n的上升而增大，如圖1中第2段曲線(xiàn)所示。
根據(jù)晶閘管調(diào)壓電路的工作原理，額外的不可忽視的影響晶閘管輸出電壓的因素是電機(jī)的續(xù)流作用，而電機(jī)續(xù)流角的變化規(guī)律決定于其功率因數(shù)角，且該續(xù)流角便于實(shí)際測(cè)量。
考慮晶閘管調(diào)壓型軟起動(dòng)控制器的一相電路，其工作電壓示意圖如圖2所示。
圖2 工作電壓示意圖
所以：
，α為檢測(cè)過(guò)零后設(shè)定的觸發(fā)角，θ為功率因數(shù)角， 
為實(shí)際導(dǎo)通角。晶閘管的輸出電壓有效值應(yīng)為：
在電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)的端口電壓是逐漸提高的，其電壓大小取決于晶閘管的實(shí)際導(dǎo)通角
， 而又取決于α和θ的大小，而由圖1 知在啟動(dòng)過(guò)程中θ又隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷變化，如果升壓過(guò)程中α沒(méi)有及時(shí)變化，而θ變小，則會(huì)出現(xiàn)實(shí)際有效電壓下降，此時(shí)必然會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，而功率因數(shù)角θ隨之變大，則實(shí)際導(dǎo)通角又會(huì)增大，實(shí)際電壓增大，轉(zhuǎn)速升高θ又會(huì)變小，如此往復(fù)就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩振蕩，同時(shí)電流表現(xiàn)為電流震蕩，電機(jī)啟動(dòng)不起來(lái)，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。這也是本文要解決的問(wèn)題。
3 系統(tǒng)的構(gòu)成及原理
目前，國(guó)外的軟啟動(dòng)器主要時(shí)采用串聯(lián)晶閘管技術(shù)，但是，由于晶閘管抗干擾能力不強(qiáng)容易受工作壞境的限制，而且晶閘管老化容易引起參數(shù)變化問(wèn)題，使控制容易出現(xiàn)偏差。而把變壓器來(lái)隔離高壓和低壓(如圖3)，變壓器的高壓繞組串在異步電動(dòng)機(jī)的定子回路中，而低壓繞組與晶閘管相連。低壓繞組的晶閘管導(dǎo)通以前，變壓器工作在空載狀態(tài)，變壓器的勵(lì)磁阻抗很大，所以電網(wǎng)電壓基本上都降在三相開(kāi)關(guān)變壓器上，電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制系統(tǒng)控制晶閘管的觸發(fā)角，可以連續(xù)改變低壓繞組上的電壓，進(jìn)而可以改變高壓繞組的電壓而達(dá)到連續(xù)改變電機(jī)端電壓的目的，這樣可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)。由于變壓器工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以變壓器的損耗很小。
圖3 采用變壓器的軟起動(dòng)器
3.1 基于模糊的控制器
恒流軟啟動(dòng)最大的障礙，就是避免進(jìn)入轉(zhuǎn)矩和電流振蕩。通常采用閉環(huán)的pid控制實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的恒流軟起動(dòng)。交流電動(dòng)機(jī)是高階、非線(xiàn)性、強(qiáng)耦合的被控對(duì)象，所以普通的pid控制難以達(dá)到理想的控制效果，從而容易造成在輕載起動(dòng)過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)矩和電流的振蕩。模糊控制不依賴(lài)于精確的數(shù)學(xué)模型，而且集結(jié)了有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家的多年的控制經(jīng)驗(yàn)，因而可以實(shí)現(xiàn)較理想的控制。其原理圖如圖4所示。
圖4 控制原理圖
選取起動(dòng)電流偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，e和ec均為精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。
把e的變化范圍設(shè)定為[-6，6]區(qū)間連續(xù)變化量，使之離散化，構(gòu)成含13個(gè)整數(shù)元素的離散集合：{-6，-5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。e是在[0，ist]之間，通過(guò)變換：e=12/ist[x-(0+ist)/2]，將在[0，ist]之間變化的變量x轉(zhuǎn)換為在[-6，6]之間變化的變量e。同理，可將die/dt 的區(qū)間[0，20a/s]轉(zhuǎn)換為[-6，6]之間變化的量c；δu的區(qū)間[0，0.1]轉(zhuǎn)換為[-6，6]之間變化的量。然后取加權(quán)平均系數(shù)β=0.9， 根據(jù)：δu=βe+(1-β)ec即可得到e和ec一一對(duì)應(yīng)的模糊規(guī)則表。
在實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)上述轉(zhuǎn)換后通過(guò)查表得到δu的模糊值，然后根據(jù)反模糊規(guī)則δu=uk×0.1/12+0.5，從而得到實(shí)際的輸出電壓u的值，通過(guò)移相觸發(fā)確定觸發(fā)角α。最后當(dāng)啟動(dòng)完成后，bang-bang控制，關(guān)閉開(kāi)關(guān)變壓器的開(kāi)關(guān)。
4 試驗(yàn)及結(jié)論
根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了試驗(yàn)，被控對(duì)象為1140v/85a的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為970r/min。采用恒流軟起動(dòng)控制方案時(shí)的電流電壓波形由圖可見(jiàn)，圖5為直接啟動(dòng)時(shí)的電流曲線(xiàn)，空間啟動(dòng)沖擊較大；圖6為1.5倍額定電流啟動(dòng)電流電壓曲線(xiàn)，電壓上升平穩(wěn)，電流基本無(wú)沖擊，效果比較理想。比較好的解決了轉(zhuǎn)矩振蕩引起的電流振蕩問(wèn)題。
圖5 直接啟動(dòng)的電流曲線(xiàn)
圖6 1.5倍額定電流啟動(dòng)的電流電壓曲線(xiàn)
5 結(jié)束語(yǔ)
本文首先分析了在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的功率因數(shù)角變化的問(wèn)題，并把它作為一個(gè)參量考慮到變電壓軟啟動(dòng)中經(jīng)常出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩震蕩和電流振蕩問(wèn)題。采用模糊控制算法，吸取專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，閉環(huán)反饋電流，有效的解決了恒流軟啟動(dòng)中的振蕩問(wèn)題，得到了較理想的控制效果。
作者簡(jiǎn)介
牛培峰(1958-) 男 博士生導(dǎo)師，從事復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的智能建模與智能控制、控制系統(tǒng)智能故障診斷研究。
張現(xiàn)平(1983-) 男 碩士研究生，從事嵌入式和電機(jī)控制研究。
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