基于模糊控制的中壓異步電機(jī)軟啟動(dòng)控制器的研究設(shè)計(jì)

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)系曲線如圖1所示。

　　從圖1可以看到，在電機(jī)起動(dòng)過程中，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為檢測過零后設(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)過程中θ又隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷變化，如果升壓過程中α沒有及時(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，會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的后果。這也是本文要解決的問題。

3  系統(tǒng)的構(gòu)成及原理
   
　　目前，國外的軟啟動(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)變化問題，使控制容易出現(xiàn)偏差。而把變壓器來隔離高壓和低壓(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關(guān)變壓器上，電動(dòng)機(jī)不能起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，通過控制系統(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)過程中發(fā)生轉(zhuǎn)矩和電流的振蕩。模糊控制不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，而且集結(jié)了有經(jīng)驗(yàn)的專家的多年的控制經(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。