（电力电子与电力传动专业论文）基于模糊逻辑的异步电动机软起动器的研究.pdf

a b s t r a c t t 1 1 i s p a p e rp r e s e n t s a v a r i a b l e - v o l t a g et h y r i s t o r c o n t r o u e d a s y n c h r o n o u sm o t o rs y s t e m w h i c ht or e a l i z es o f ts t a r t i n ga n da n a l y z e d a n dd e s i g n e d t h et h r e e p h a s e sv o l t a g er e g u l a t o r c i r c u i 招a n dt h r e e p h a s e sa s y n c h r o n o u sm o t o rs o f ts t a r t e rm e t h o db a s e do nt h r e ep h a s e s v o l t a g er e g u l a t o rc i r c u i t si sa n a l y z e d a tf i r s t f u z z ya r i t h m e t i ci sa d o p t e di nt h es o f ts t a r t e ro fa s y n c h r o n o u s m o t o r n et h e s i s a n a l y z e st h ep r i n c i p l eo ff u z z yc o n t r o l ，a n dt h e n p r o v i d e s t h em e t h o do f d e s i g n i n gf u z z y c o n t r o l l e r t h e n , an e w s i m u l a t i o nm o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o rs o f ts t a r t e ri sd e s i g n e db a s e d o nm a n ，a ba n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ee f f e c t i v e n e s so ft h i s s c h e m e t l l i st h e s i sf i n a l l yp r o v i d eac i r c u i tb a s e do ni n c r e a s e v o l t a g ea n d l i m i t e d - c u r r e n ts o i t - s t a r t e rc o n t r o lm e t h o d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e o f t h e s y s t e m a l ed e s i g n e d n ef u n c t i o nm o d u l eo f t h es y s t e mw i t ht h e l6 b i tm i c r o c o n t r o l l e ra st h ec e n t r a lu n i ti si l l u m i n a t e d t h i st h e s i s g i v e st h es o f t w a r ep r o c e s s k e yw o r d s ：s o f ts t a r t e r ，v o l t a g er e g u l a t o rc i r c l l i t s ，m a t l a b ， a s y n c h r o n o u sm o t o r 湘潭大学碗士论文 第一章绪论 1 1 引言 在我国，交流电动机在工农业、交通运输、国防工业以及其它 各行各业中应用最为广泛。因为它具有结构简单、制造方便、运行 可靠、价格低廉等一系列优点。但电动机直接起动时，往往造成高 于额定电流6 - 7 倍的起动电流。对于风机泵类负载，其节流方式绝 大部分采用挡风板或阀门调节风量流量，这种方式至少浪费了2 0 以上的能源。异步电动机起动时产生过大的起动电流会影响网络的 供电和同一电网上的其它负载。同时，在大电流的冲击下，电动机 绕组有发生位移和形变的趋势。另外，为了配合较大的起动电流， 在配备电力变压器时。要求充分的储备容量，这将会给电力网带来 极大的电能浪费。因此研制专用电动机的软起动装置十分必要。 1 2 异步电动机软起动的方式 软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的 调节是连续的。在电动机定子回路，通过串入有限流作用的电力器 件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。它是软起动中的一个重 要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动，以 磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动，以晶闸管为限流器件的晶 闸管软起动“ 。 1 2 1 液阻软起动 液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。 液阻有两个特点：一是它的阻值正比于相对的二块电极板的距离， 反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制；二是液阻 的热容量大。液阻的这两大特点恰恰是软起动所需要的。加上另一 个十分重要的优势即低成本使液阻软起动得到广泛的应用。 液阻软起动也有缺点，一是液阻箱容积大，其根源在于阻性限 湘潭大学硕士论文 流，减小容积引起温升加大。一次软起动后电解液通常会有 1 0 。c 3 0 。c 的温升，使软起动的重复性差。二是移动极板需要有 一套伺服机构，它的移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化。 三是液阻软起动需要维护，液箱中的水，需要定期补充。电极板长 期浸泡于电解液中，表面会有定的锈蚀，需要作表面处理。四是 液阻软起动装置不适合于置放在易结冰或颠簸的现场。 近年有所谓的热变液阻软起动装置，通过液阻本身在软起动过 程中的温升，借助电解液电导率与温度的正相关性实现无极板伺服 机构的软起动。但是，其可行性大可质疑：它的限流器件不具各限 流能力易控性，装置对使用环境温度要求高，软起动重复性差。 液阻软起动装置可以串在绕线电动机转子回路实现重载软起 动，售价低廉，在软起动过程中不产生高次谐波等等，则是它突出 的优点。 1 2 2 磁拉软起动 磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。用三相电抗器串在 电动机定子实现降压是两者的共同点。磁饱和软起动不同于电抗器 软起动的主要点是其限流作用可控。总体说来，起动开始时限流作 用较强，在软起动过程中逐渐减弱。电抗器在起动完成后被旁路。 限流作用的强弱变化是通过控制真流励磁电流，改变铁芯的饱 和度实现的，所以叫做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率 比控制功率大几十倍，它也可以称为“磁放大器”。磁饱和电抗器 有三对交流绕组和三相共有的一个直流励磁绕组。在交流绕组里流 过的是电动机定子电流，它必然会在直流励磁绕组上感应出电势。 后者会影响励磁回路的运行。不是用一个，而是用一对交流绕阻的 主要原因就是为了抵消这种影响。 显然，限流作用的强弱调节是静止的、无接触的、非机械式的。 所以，在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动是完全相同的。高 压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压( 3 8 0 伏) 磁饱和电抗器没 湘潭大学硕士论文 有本质区别，只是在某些方面需要采取一些特殊处理罢了。磁饱和 电抗器具有o 1 秒量级的惯性，这使磁控软起动的快速性比晶闸管 软起动慢一个数量级。对于电动机系统的大惯性来说，磁控软起动 的惯性是不足为虑的。有人说磁控软起动不产生高次谐波。这是错 误的。只要饱和，就一定会有非线性，就一定会引起高次谐波。只 是磁饱和电抗器产生的高次谐波会比工作于斩波状态的晶闸管要 小一些。磁控软起动装置需要有相对较大功率的辅助电源，噪声较 大则是其不足之处。 1 2 3 闸管软起动 闻管软起动产品问世不过3 0 年左右的时间。它是当今电力电子 器件长足进步的结果。1 0 年前，电气工程界就有人指出，晶闸管软 起动将引发软起动李亍业的一场革命。目前在低压( 3 8 0 伏) 范围内， 晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2 倍。而其主 要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构 紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全， 这些都是液阻软起动难以望其项背的。 但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高， 是液阻的5 1 0 倍，二是晶闸管引起的高次谐波较严重。 1 2 3 1 晶闸管软起动的常用工作方式 1 ) 电压爬升方式 交流电动机起动时，微型计算机根据设定的起动时间，控制 晶闸管触发角由设定的起动角度逐渐推移到o 。，使机端电压逐渐 由某一设定的起动电压平滑的爬升到全压。在起动过程中，电动 机起动电流大大低于全压起动方式的起动电流。 2 ) 电压爬升加电流限制方式 按方式i ) 进行起动时，虽然起动电流明显降低，但无法定量 地限制在某一要求的数值之下。为达到这一目的，在方式1 的基础 湘潭大学硕士论文 上增加电流限制环节，即在电压爬升过程中，不断检测定子电流， 当其超过设定值时，微型计算机自动固定晶闸管触发角度，使电 压不再爬升，直至电动机转速上升，使定子电流下降n 4 , 于设定 值时，电压才继续爬升，这样就能使起动电流限制在要求的数值 之下。 3 ) 带冲击脉冲的电压爬升方式 当电动机带负载起动时，由于其静摩擦力很大，当简单地按电 压爬升方式工作时，电动机端电压值需爬升到很大才能克服静摩 擦力起动电动机，这样在很长时间内电动机不能转动，同时产生 很大的起动电流使软起动效果不明显。为了解决这一问题，在刚刚 起动电动机时，先施加一个足以克服静摩擦力使电动机动起来的 具有一定宽度的脉冲电压，电动机动起来后再将电压降至某一起 始位置逐渐爬升。 4 ) 带冲击脉冲和电流限制的电压爬升方式 这种工作方式是在方式3 ) 的基础上，增加电流限制环节，其 原理与在方式l 基础上加电流限制环节形成方式2 ) 的原理相同。 1 2 3 2 晶闸管软起动器 1 ) 晶闸管软起动器的拓扑结构 目前国内外研制生产的交流电动机软起动控制方式普遍采用 的是斩波降压技术，应用大功率晶闸管作为电子开关元件。通过控 制双向晶闸管或反并联普通晶闸管的导通程序来实现交流电动机 端电压的爬升从而控制电动机无级平滑的起动。1 。 目前除使用双向晶闸管和反并联普通晶闸管构成主回路以外， 也有使用i g b t 构成主回路的方案h 1 。 2 ) 晶闸管软起动器的控制电路 高性能软起动控制器的触发同步信号取自三相电源，当某一 相的同步脉冲到来时就延时触发相应相的晶闸管，同时要监测电 动机功率因数角的变化，计算下一周期的触发角，实施过流、过热 湘潭大学硕士论文 保护等功能，因此系统的中断较多、计算量较大，软起动器的核心 控制器一般采用专用的c p u ，通常使用i n t e l l 6 位单片机纠或者 d s p n 作为控制器。来自同步变压器的电压信号经比较器、光电隔离 及功率驱动后送入单片机，以保证晶闸管触发脉冲信号与此信号 保持一致。以电流互感器电路测出电动机的实时工作电流，经整 流、滤波、放大和a d 转换及光电隔离后送入单片机，由程序对 其进行线性补偿，以此信号作为改变晶闸管控制角大小的依据。晶 闸管触发脉冲经单片机发出，处理后送入晶闸管控制极。为可靠触 发，触发信号一般采用宽脉冲或双窄脉冲。 1 3 异步电动机软起动器的研究现状和发展趋势 i 3 1 国内外研究现状 国外一些学者及大公司都在致力于开发适合于普通三相异步 电动机起动的专用软起动控制器，很多学者在这方面作了大量工 作”唧。从总体上看我国软起动技术水平较国际先进水平有1 卜1 5 年的差距。国外软起动技术高速发展的原因如下： ( 1 ) 市场的大量需求随着工业自动化程度的不断提高和能 源全球性短缺变频器和软起动器越来越广泛地应用在机械、纺织、 化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机水泵等的节能场合， 并取得显著的经济效益。 ( 2 ) 功率器件的发展近年来高电压大电流的s c r 、g t o 、i g b t 、 i o c t 等器件的生产及功率器件并联串联技术的发展应用使高电压 大功率软起动器产品的生产及应用成为现实。 ( 3 ) 控制理论和微电子技术的发展矢量控制、磁通控制、 转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器和软起动器 提供了理论基础，1 6 位3 2 位高速微处理器以及信号处理器d s p 和 专用集成电路a s i c 技术的快速发展为实现软起动器高精度多功能 化提供了硬件手段。 目前国内软起动技术状况如下： 湘潭大学硕士论文 ( 1 ) 软起动器的整机技术落后。 ( 2 ) 软起动产品所用的半导体功率器件的制造业几乎是空白。 ( 3 ) 相关配套产业及行业落后。 ( 4 ) 可靠性及工艺水平低。 软起动技术是强弱电混合，机电一体的综合技术，既要处理巨 大电能的转换，又要处理信息的收集变换和传输。因此它的共性技 术必定是分成功率和控制两大部分，前者要解决与高压大电流有关 的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决( 基于 现代控制理论的控制策略和基于智能控制策略问题) 硬软件开发问 题m 。 1 。3 。2 发展趋势展望 从短期来看软起动器将仍然以各种形式的降压和限流软起动 为它的主要形式“。从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大 的市场份额。但是，在各种应用场合，人们对于各种性能的侧重面 不同，使各类起动产品( 包括传统的星三角起动) 在市场上都可能 会赢得自己的一席之地。 从长期来看变频软起动将成为软起动的主流。各种形式的降压 软起动将与星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。随着变 频器价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，也随着技术人员水平 的提高，仅仅为软起动而选用变频器将不再会被人们认为是一种奢 侈。变频软起动胜出的根本原因是：它可以在限流( 起动电流不 超过电动机额定电流值) 的同时获得大的起动转矩，可以实现包括 软停止在内的各种起动功能。 1 4 本文所做工作 通过分析各种三相调压电路的特点，选择了其中一种谐波比较 少的调压电路作为电动机软起动器的主电路。在此基础上了深 入分析了基于三相调压电路的软起动器的基本原理，同时针对 湘潭大学硕士论文 软起动器的特点分析了起动过程中电动机转速观测的方法。 对异步电动机进行了基于m a t l a b 的仿真建模分析，建立了适合 本论文要求的电动机仿真模型。 对基于模糊控制的限流软起动方式进行了深入的研究，建立了 m a t l a b 下软起动器的仿真模型，用该模型完成了系统仿真并且 得到了理想的结果。 本文给出了基于三相调压电路的软起动器的具体实现方案。对 系统的硬件组成进行了详细的分析和设计，同时讨论了系统的 软件结构。 湘潭大学硕士论文 第二章基于三相调压方式软起动器的基本原理 1 引言 本论文中电动机软起动器采用三相调压软起动方式，起动装置 由三相调压器【1 2 】和控制器两部分组成。软起动器的主电路是晶闸管 三相调压器1 2 一】，三相晶闸管交流调压是利用改变晶闸管的控制角来 改变三相输出交流电压的有效值，从而实现交流调压。因此本文以 三相调压电路的分析为起点展开研究工作，进而分析软起动的基本 原理。 2 2 三相调压电路的选择 三相调压电路的接线形式很多【l 玉1 4 1 ，最常用的接线形式如图 2 1 至2 - 5 所示，几种方案各有其特点，其技术经济指标都不相同， 现将主要的接线形式分述如下。图2 1 是负载星形连接的三相调压 电路，该方案是用6 个晶闸管组成三对反并联的晶闸管分别串接在 星形接法的负载上，它相当于三个单相晶闸管交流调压器的组合。 由于没有零线，每相电流必须与另一相构成回路。该接法谐波比较 少，调速性能最为优越。图2 2 接法中所用晶闸管元件数量与图2 1 接法中所用晶闸管数量相同，只是负载接成三角形【1 7 1 。由于在三角 形接法中由三次谐波所引起的三次谐波电流可以流通，使得绕组中 电流增大，增加了绕组的附加铜耗。图2 3 接法与图2 1 接法相似， 但是每一相中只用一个晶闸管，用一个二极管代替另一个晶闸管与 图2 - 1 负载星形接法 湘潭大学硕士论文 图2 - 2 负载三角形接法 图2 - 3 不对称电路 图2 4 晶闸管三角形接法 它反并联，这样可以简化控制电路，但是由于每相只用一只晶闸管 所以每相中电压和电流波形正负半波不对称。由谐波分析可知，负 载电流中既有奇次谐波又有偶次谐波，偶次谐波的存在对电动机负 载是有害的，它产生与基波转矩相反的制动转矩，使电动机输出转 湘潭大学硕士论文 矩减小，定子输入电流增大，效率降低。尤其在低速运行时谐波分 图2 - 5 三相全波负载为三角形连接 量更大，严重影响电动机的输出转矩，所以该方式不适合用做异步 电动机软起动器的主回路。图2 - 4 的接法只用了三只晶闸管，且晶 闸管放在负载后面，该电路非常简单属于不对称接线方式，和图2 3 的接线方式一样，负载上也有偶次谐波，因此也不适合作为软起动 器的主回路。图2 - 5 的接法可以看成是三个由线电压供电的单相交 流调压电路的组合，无论是电阻性负载还是感性负载，每一相都可 以当作单相交流调压电路来分析，单相交流调压电路的分析方法和 结果都可以沿用，注意把相电压改成线电压即可。电动机软起动过 程主要的目的便是控制起动电流，因此该方案并不是很好的选择。 综上所述，图2 - i 的方案相比之下优势突出，因而本论文软起 动的主回路采用这种连接方式。 2 3 触发脉冲的确定 将三组反并联的晶闸管分别接至三相异步电动机定子绕组就 形成了一个基于三相调压电路的软起动器主回路，如图2 6 所示。 在此电路中没有零线，所以必须同时有两相导通才能构成回路。当 改变触发角口时，该调压电路有两种不同的工作状态：在同一时刻 1 0 湘潭大学硕士论文 每一相有一只晶闸管导通，称为1 类工作状态。在同一时刻有一相 两只晶闸管都不导通，另两相各有一只晶闸管导通，称为2 类工作 状态。 图2 - 6 软起动器主回路 为了保证在电路起始工作时使两个晶闸管同时导通，以及在感 性负载与触发角较大时能保证不同相的正反两个晶闸管同时导通， 所以要求用宽脉冲或者双窄脉冲触发。为了保证输出电压三相对称 并且有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号与电源保持一致的 相序，同时各触发信号之间保持一定的相位关系。设u 是线电压的 有效值，则三相线电压分别为： = 劢s i n r o t “= 玎s i n ( c o t 一姿) ( 2 1 ) 甜c l = 西s i n ( o x 一_ 4 x ) 三相相电压则为： ”。= 伊s i 岫一 “。= 伊s i n ( c o t 一争( 2 - 2 ) ”a = 伊s i n ( 一争 湘潭大学硕士论文 把图中的晶闸管换成二极管，可以看患在电阻负载时从电源相 电压过零时刻开始，相应的二极管就导通。因此口= 0 的点应该定在 各相电压的过零点，调压电路从相电压的过零点处开始计算口，这 一点与三相整流电路是不同的。六只晶闸管的触发相序i l 玉1 6 j 是同、 玎j 、隅触发相位依次滞后1 2 0 。，玎0 ：、玎；的触发相位又分别 滞后于啊、嘎、嘎1 8 0 。这样触发相位自啊至亿依次滞后间 隔为6 0 。确定了触发脉冲序列的顺序后，就可以开始讨论触发角 的定位和移相范围。在本控制系统中，晶闸管触发脉冲由1 6 位单 片机8 0 c 1 9 6 k c 的h s o 口给定。系统采用双窄脉冲序列触发【1 8 9 1 ， 在一个周期内对每个晶闸管需要连续触发两次，每次触发的间隔为 6 0 。，触发矩阵如式2 - 3 所示。 甜2 l 2 9 3 甜9 4 私 6瓣 ( 2 3 ) ”刚。为个晶闸管的触发控制信号，g 。9 6 为本次触发脉冲信 号，由于在系统中采用高速输出h s o o h s o 5 作为本次触发脉冲输 出信号，所以可用h s o o h s o 5 代替式2 - 3 中的蜀g 。 ( 2 4 ) 脚脚脚脚脚脚 ”ihu皿 o o 0 0 l 1 蚴彬即即彬彬 湘潭大学硕士论文 2 4 三相调压电路输出电压分析 三相交流调压电路带阻感性负载时，其等效电路如图2 7 所示。 我们用三个开关s 。、s ：、马来模拟三对反并联的晶闸管呻2 0 1 ，当开 关值取1 时表示该相负载与电源相连，开关值取0 时表示断开。 图2 7 等效电路 在1 类工作状态，每一相有一只晶闸管导通，相当于s l 、s 2 、s 3 闭合，三相负载接到电网。从负载侧看有： f ”。f = 2 ，一甜如 1 甜。v = 材b 一甜船 ( 2 4 ) 从电网侧看有： i 2 。一”= 。一”6 、 ( 2 5 ) 【”6 f2 ”5 k 一4 c , ” 在2 类工作状态，三相中有一相断开其余两相各有一只晶闸管导通， 这种情况可以分成三种模式。 模式1 - a 、b 相负载接至电网，c 相断开，f 。，：0 ，s i = $ 2 = i ，s 3 = 0 。 从负载侧看有： “m = “。一b ( 2 - 6 ) 模式2 - a 、c 相负载接至电网，b 相断开，= 0 ，s i = $ 3 = i ，s 2 = o 。 从负载侧看有： 。_ = l f 。一甜。 ( 2 - 7 ) 模式3 ：b 、c 相负载接至电网，a 相断开，0 = 0 ，s 2 = s 3 = l ，s i = o 。 1 3 湘潭大学硕士论文 从负载侧看有： ( 2 8 ) 2 5 电动机软起动控制算法的分析 不同的负载或者不同的工程要求需要不同的软起动和软停车 方式，下面简要介绍本控制器可以提供的几种电动机控制方式的实 现思想。从根本上来讲，在用三对反并联的晶闸管实现软起动和软 停车等电动机控制方式时，只有三个控制量，即三相的触发角。若 不考虑三相不平衡补偿及从谐波抑制的角度出发，三相对称触发时 谐波含量最少，星型接法时只含有6 n + _ 1 次谐波。软起动控制实际控 制的就是触发角口，不同的控制方式就是不同的触发角的变化规律。 本文仅讨论电压爬升和电流限制的软起动的控制方法，二者的起动 特性如图2 8 所示。 t 升压起动特性 图2 8 升压和限流软起动的起动特性 时闻 2 5 1 升压软起动的控制方法 这种起动方式可以降低起动电流并且提供了平滑的、无级的电 动机加速，同时通过减小转矩波动来减轻对机械系统的损害。升压 软起动帆1 采用的触发规律是线性的减小触发角，控制规律如式2 - 9 所示： 湘潭大学硕士论文 口t = 口。h + k ( v 一弘) ( 2 - 9 ) 式中：第f 次触发角 u 电源线电压 u ，上升阶段电压值 a 。、口一最小和最大触发角 当等于初始电压u o 时峨= 口一，此时若取定口。、口。和u o 的 值，就可以求得式2 9 中的系数k 的值。实际操作中可以将的 值作成表格，软起动器运行时直接从查表取得触发角吼的值。 2 5 2 限流软起动的控制方法 通过限制起动过程中的高冲击电流嘲而引起的线路冲击来提 高效率，减小起动转矩，同时避免对电网的严重影响。这种起动方 式是以电流的有效值作为反馈调整触发角实现的，控制规律如式 2 - 1 0 所示： 口f = 口卜- + 式中：吼第f 次触发角 ( 2 1 0 ) 口。第f 一1 次触发角 峨一第f 次触发角变化值 瓯为所采用的调节器的输出，在下一章中将具体讨论。 2 6 软起动过程中电动机转速的观测 为了实现按电动机的起动过程进行软起动控制，就需要对电动 机的起动过程田j 进行了解。反映电动机起动过程状态的参数有电动 机当前转速、当前所加电压和输入电流等。对电参量的测量相对比 较容易，本文的实验装置中用霍尔电流传感器采集电动机的电流数 据。而电动机的转速如果采用光电码盘来测量费用较高，且软起动 过程对电动机的转速不要求精确测量，所以采用间接法计算出当前 转速是比较可行的方法。 根据异步电动机全压起动电流的变化规律可知，异步电动机定 子电流的大小与转速有关。电动机在起动的瞬间转速为零，起动电 1 5 湘潭大学硕士论文 流最大，约可达到额定电流的7 倍。随着电动机转速的增加，电动 机的定子电流将逐渐减小，最后降到正常运行的电流。电动机软起 动开始时通常口角较大，此时只有两相晶闸管导通，电动机工作在 两相供电的状态。到了起动后期口角较小，电动机一般工作在三相 供电的状态。下面针对软起动的这两个阶段来分析异步电动机转速 的观测原理【2 4 2 引。 2 6 1 电动机两相供电状态下转速的观测 假设三相调压电路中，a 相晶闸管截止，b 、c 相晶闸管导通， 即前述2 类工作状态中的模式3 ，此时对电动机的供电情况如图2 9 所示。 f c 叶 图2 - 9 电动机两相供电情况图 很明显，加在电动机端子上的是三相不对称电压，为了便于沿 用常用的电动机等效电路分析方法，现将相电压6 。、吭、6 。及相 电流j 。、j 。、j 。分解为 u u 2 口 )膏 以吣 什z 矿以 + + 十 巩巩嘶 _ = 和h 和h 鸿 = = = u u u 湘潭大学礤士论文 ( 2 1 2 ) 式中：6 + 、占一、6 。分别为正序、负序和零序电压分量，；+ 、 j 一、j 。分别为正序、负序和零序电流分量，口= e 一”。 由于异步电动机的定子绕组无中线，电动机内无零序电流，所 以只须分析在正序电压痧+ 和负序电压驴作用下电动机的运行情 况。电动机等效电路分析法是常用的分析方法，异步电动机的t 形 模型是根据变压器原理把异步电动机转子电路的参数用等电压值 归算的方法等效连接到定子电路。这样就可以从定子侧全面地分析 整个电动机的工作状态迸而计算电动机的运行状态。异步电动机 的正序、负序t 形等效电路如图2 一l o 和图2 - 1 1 所示。 由图2 一1 0 和图2 - 1 1 可得 u + = l - z 。 u 一；1 一z 一 图2 - 9 中，；。：0 ，j 。：一j 。于是可得 j + = 扣+ 口如3 珏扣- , j jj j 一= 扣j 一珏一旁一 1 7 。5 专( ， + ，。+ ，c ) = 0 ( 2 1 3 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 因为零序电流j 。= o ，故零序电压d 。：z d ；。：0 ，于是可得 c c ， t 矿 0 + 5 ， 口 t ， 2 8 口 口 + + + uuu 131313 j l = f i + 一 o ， ，j ， 湘潭大学硕士论文 l u a = u + + u 一十u o = u + + u 一 u 口= u o + a 2 u + + 己，一= 口2 u + + 口u 一 u c = u o + a 2u 一+ a u + = a 2u 一+ 口u + 【 一 u r i c = u a u c = 一j 4 3 ( u + 一u 一、 一 u r i c = 一3 ( z + i + 一z _ i 一) = 1 b ( z + + z 一) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) i 玑划+ + 玑_ ( z + 几“一l 卜舌“( z + _ )、f j 以= 万z + - z 击“ ( 2 - 1 8 ) 图2 - 1 0 和图2 - 1 1 所示的异步电动机t 形等效电路中，j ，、，l 是 定子绕组的等效漏抗和漏电阻；_ 、。是励磁电阻和励磁电抗：j ： ，2 j 图2 1 0 正序t 等效电路图 是转子等效漏抗，衫和- s ) 是转子等效电阻。当电动机转速为 1 8 湘潭大学硕士论文 零，转差率s = l 时杉= 一。) = ，2 0 达到最小值，称作电动机短路电 阻或者堵转电阻。 图2 1 1 负序t 等效电路图 由于电动机定子绕组与转子绕组的相对位置比较靠近，近似相 差一个空气隙和一个绕组直径，电动机的空气隙t e d , 完全可以忽略 不计。而绕组直径与转子直径相比通常也要小一个数量级。我们用 z l 表示定子漏阻抗，z ：表示转子漏阻抗，乙表示励磁漏阻抗。 z t = + p l z 2 = 以+ i x ：( 2 - 1 9 ) z r a = r 。+ j x 。 由于定子绕组和转子绕组比较接近，所以定子和转子的漏抗也比较 接近，有时可以认为 一20 2 1 = r 2 0 当电动机刚起动时s = i ，电动机的起动阻抗为 z = z i + z 2 z m = ( ，l + “) + ( 等+ 豇：) ( ，m + 以) = ( + j x 。) + ( + 办：) ，( k + 心) ( 2 2 0 ) 1 9 湘潭大学硕士论文 由于电动机的励磁阻抗比转子的漏抗要大2 个数量级以上，所以电 动机起动初期总的起动阻抗较小 z = ( ，i + 豇t ) + ( 詈+ j x 2 ) ( r + 矗m ) 吨+ j x l ) + ( 等+ 反) = z l + z 2 z 2 ，l + 2 豇i ( 2 2 1 ) 经过简化后，电动机在起动初期其t 形等效电路可简化成r 形 等效电路如图2 - 1 2 所示。图中五= 7 名或者= 一。) 。 z + = ，l + 矗l + 垒+ 矗2 ( 2 2 2 ) z 一= r l + 声i + 2 = + p 2 ( 2 - 2 3 ) s z 由公式( 2 - 1 8 ) 、( 2 - 2 2 ) 、( 2 - 2 3 ) 可以得到转差率与爿。点电压有效 值之间的函数关系： u - = f ( s ) ( 2 2 4 ) + 。l z ：l = 斗l f j u ll 、 湘潭大学硕士论文 对于给定的异步电动机，其同步转r o 是确定的，由打= n o ( 1 一s ) 及 式( 2 2 4 ) 可得转速n 与之间的关系： ( 2 2 5 ) 式( 2 2 5 ) 也可以写成拧= ，( ) 。根据式( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 、( 2 2 5 ) 进而可以推导出定子电流与之间的函数关系： ( 2 2 6 ) 由于三相调压电路在一个周期内三相电流的有效值是相等的， 这样可以用。代替，。，于是可得 ( 2 2 7 ) 。可以通过霍尔电流传感器检测得到，这样我们可以通过，。推 算得到电动机转速n 的信息。 2 6 2 电动机三相供电状态下转速的观测 在电动机起动过程的后期，调压器工作于1 类工作状态，电动 机接于三相电网，随着电动机转速的升高，转差率s 逐渐趋于零， 这时转子等效电阻= 乓s 将显著增大。此时电动机t 形等效电路 中三个阻抗会形成 z j “z 。 z l 的情况。此时忽略等效电阻z 。不会造成多大的误差。因此这时t 形 等效电路可以简化成图2 1 3 所示的n 形等效电路。 在n 形等效电路中，定子电流由两部分组成 ，= ，m + t( 2 - 2 8 ) 其中励磁电流，。只与定子电压有关，在电动机起动的后期 湘潭大学硕士论文 1 m = u z 。 ( 2 2 9 ) ，2 0 j 图2 - 1 3 i i 型等效电路图 而转子电流分量，：不仅与定子电压有关，也与转差率s 相关。 ：丁旦_( 2 3 0 ) r 2 0 | 3 j 1 2 可得到电流与转差率s 的函数关系 ，= ，( j )( 2 - 3 1 ) 由行= n o ( 1 一s ) 及式( 2 3 1 ) 可估算出电动机的速度： 刀= 厂( ，)( 2 3 2 ) ，可以通过霍尔电流传感器检测得到，这样我们可以通过，推 算得到电动机转速n 的信息。 2 7 小结 本章介绍了基于三相调压主电路的电动机软起动器的基本原 理，分析了软起动的两种控制算法，同时讨论了电流有效值的计算 和起动过程中电机转速的观测方法。 湘潭大学硕士论文 第三章模糊控制在软起动中的应用 3 1 引言 用良好的控制方法对异步电动机软起动过程中的电流进行控 制，使起动电流在整个起动过程呈恒定趋势，无瞬间冲击且能连续 变化，是实现电动机限流软起动的关键。 电动机软起动就是通过控制晶闸管的导通角，使电动机端电压 渐增，起动电流得到控制。传统的方法是采用闭环p i d 控制对电动 机进行限流软起动。常规的p i d 控制方法是连续系统中技术非常成 熟且应用最广泛的一种控制方式。对于线性时不变模型的被控对 象，适当调整p i d 参数就可以获得满意的控制效果。但是采用p i d 闭环控制来解决异步电动机起动过程中的电流冲击问题，存在如下 问题： ( 1 ) 异步电动机起动过程是非线性时变系统。 ( 2 ) p i d 控制要求建立精确的数学模型，而电动机起动过程中 反馈电流与晶闸管的触发角之间难以建立精确的数学模 型。 ( 3 ) p i d 参数的调整也是非常困难的事，且起动过程中容易产 生振荡，p i d 控制中也不能很好的解决。 现今在各个领域中被逐渐采用的模糊控制，是一种非线性的控 制方法，是属于非线性、智能控制范畴的一种计算机数字控制，就 是在被控对象的模糊模型的基础上，运用模糊控制器近似推理手 段，实现系统控制的一种方法。由于模糊控制主要是模仿人的控制 经验而不是依赖于控制对象的数学模型，因此模糊控制能近似地反 映人的控制行为，无需建立对象的精确数学模型，具有很强的鲁棒 性。 本文以8 0 c 1 9 6 k c 单片机为控制核心运用模糊控制的方法来完 成起动过程，使起动过程中电流恒定，减小电动机起动时起动电流 对电网的冲击。本章将在介绍模糊控制基本原理的基础上阐述用于 湘潭大学硕士论文 异步电动机软起动的模糊控制器的设计过程。 3 2 模糊控制的基本原理 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语 言形式的知识表示以及模糊逻辑的推理规则为理论基础，采用计算 机控制技术构成的一种具有反馈通道的闭环结构的数字控制系统。 它的造成核心是具有智能性的模糊控制器，这也是它与其它控制系 统的不同之处晗6 2 ”。 图3 - 1 模糊控制系统组成框图 根据模糊控制系统的定义，不难想象模糊控制系统组成具有常 规计算机控制系统的结构形式，模糊控制系统组成框图如图3 一l 所 示。由图可知，模糊控制系统通常由模糊控制器、输入输出接口、 执行机构、被控对象和测量装置等五个部分组成。 ( 1 ) 被控对象被控对象可以是确定的或模糊的、单变量或 多变量的、有滞后或无滞后的、定常的或时变的也可以是线性的或 非线性的。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采 用模糊控制。 ( 2 ) 执行机构除了电气的以外，如各类交、直流电动机， 步进电动机，伺服电动机，还有各类气动调节阀和液压阀等。 ( 3 ) 模糊控制器是控制系统中的核心部分，是一种采用基 于模糊知识表示和规则推理的语言型控制器。 ( 4 ) 输入输出接口在实际控制系统中由于多数被控对象的 控制量及其可观测状态是模拟量。因此模糊控制系统与通常的全数 湘潭大学硕士论文 字控制系统一样必须具有a d 和d a 转换单元。而且在模糊控制系 统中还应该有适用于模糊逻辑处理的“模糊化”与“解模糊化”环 节，这部分通常也被看作是模糊控制器的输入输出接口。 ( 5 ) 测量装置它是将被控对象的各种待测量转换为电信号 的一类装置，通常由各类数字或模拟的测量仪器、检测元件或者传 感器等组成。它在模糊控制系统中占有十分重要的地位，其精度往 往直接影响整个系统的性能指标，因此要求其精度高、可靠性及稳 定性好。 3 3 软起动控制器的模糊控制器的设计 3 3 1 模糊控制器的组成 模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统的性能 优劣，主要取决于模糊控制器的结构、采用的模糊规则、合成推理 算法以及模糊决策的方法等因素。由于所采用的模糊规则是由模糊 理论中模糊条件语句来描述的，因此模糊控制器是一种语言型控制 器，故也称为模糊语言控制器。 模糊控制器的组成框图如图3 2 所示。它包括有：输入量模糊 化接口、数据库、规则库、推理机和解模糊接口五个部分。 图3 2 模糊控制器组成 ( 1 ) 模糊化接口 模糊控制器的输入必须通过模糊化才能用于模糊控制器输出 求解，因此它实际上是模糊控制器的输入接口。它的主要作用是将 湘潭大学硕士论文 真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。 ( 2 ) 数据库 数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属 度值( 即经过论域等级的离散化以后对应值的集合) ，若论域为连 续域，则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中， 它向模糊推理提供数据。 ( 3 ) 规则库 模糊控制器的规则是基于专家知识或手动操作人员长期积累 的经验，它是按人的直接推理的一种语言表示形式。规则库是用来 存放全部模糊控制规则的，并为模糊推理提供控制规则。 ( 4 ) 推理机 模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念 的推理能力。在模糊控制器中，模糊推理根据输入模糊量，由模糊 控制规则完成模糊推理来求解模糊关系方程，并获得模糊控制量。 ( 5 ) 解模糊接口 为了将模糊控制量转换为精确量，由模糊控制器的输出接口作 “解模糊”处理( 即清晰化) ，清晰化的作用是将模糊推理得到的 模糊控制量变换为实际用于控制的清晰量。 3 3 2 以电流为控制量的模糊控制器的设计 图3 - 3 系统框图 湘潭大学硕士论文 下面本文讨论基于电流控制的软起动器的模糊控制器1 2 卅的 具体设计方法。基于电流控制的软起动控制系统的框图如图3 3 所 示，模糊控制器的原理图如图3 4 所示。 模糊控制器设计首先需要确定模糊控制器的输入和输出变量， 模糊控制器的输入变量一般有以下三种： ( 1 ) 测量信号； ( 2 ) 测量信号偏差； ( 3 ) 测量信号偏差变化率； 从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数 过高，控制规则变得过于复杂，控制算法的实现也相当困难。本模 糊控制器采用二维系统，以异步电动机的输出电流与期望值的偏差 i 及偏差变化率，作为输入变量，以晶闸管触发角的变化值口作为 输出变量，经过模糊控制器对输入信息的模糊化、模糊推理、决策 和解模糊，从而得到控制量，施加于被控对象电动机实现软起动。 图3 - 4 模糊控制器原理图 电流偏差是指电流的给定值与检测到的异步电动机起动电流 值的差值。电流偏差值i 的论域取：x _ f 一6 5 _ 4 3 2 一l01 23456 ) ，在模糊控制区内将电流偏差分为8 个模糊状态p b ( 正 大电流偏差) 、p m ( 正中电流偏差) 、p s ( 正小电流偏差) 、p 0 ( 正 零电流偏差) 、n o ( 负零电流偏差) 、n s ( 负小电流偏差) 、n m ( 负 中电流偏差) 、n b ( 负大电流偏差) ，即i 的语言集取：f n bn h f n sn o p 0p sp mp b ) 。采用三角形隶属函数如图3 - 5 a ，给出对应于8 个模 湘潭大学硕士论文 糊状态的隶属度值如表3 1 所示。 电流的变化率是指一个采样周期内电流的变化值，电流变化率 出的论域取：x - 一6 5 4 3 2 10 l23456 ) ，在模糊 控制区内将电流变化率分为8 个模糊状态，语言集取： n b n mn sn o p op sp mp b ) 。采用三角形隶属函数如图3 5 b ，给出对应于8 个模 糊状态的隶属度值如表3 2 所示。 模糊控制器的输出为触发角的变化值a ，：触发角的变化值a a 的论域取：x = 一7 6 5 4 3 2 10 1234 567 ) ，触 发角的变化值a a 的语言集取： n b 瑚n sz op sp mp b ) ，采用三 角形隶属函数如图3 5 c ，给出对应于7 个模糊状态的隶属度值如表 3 3 所示。双输入单输出型模糊控制器的控制规则为“i fea n de c t h e nc ”。根据知识经验，建立模糊控制规则如表3 - 4 所示( 表中木 号为实际中不存在的情况) ，模糊控制表如表3 5 所示。 图3 - 5 a 电流偏差隶属函数 图3 - 5 b 电流变化率隶属函数 2 8 湘潭大学硕士论文 图3 - 5 c 触发角隶属函数 表3 - 1 模糊变量( i ) 的赋值表 尊 雾 划 - 6- 5- 4- 321o l23456 p b o00000000l0 4o70810 p m 000000000 207l0 703 p s 00o00o0 207107o30 10 p 0 000000100 60 10000 n o o0o0ol061 o00oo0o n s 00 1030 710 70 2000000 n m 0 30 7 l070 200000o00 n b l ，o080 7040100oo0000 湘潭大学硕士论文 表3 - 2 模糊变量( ，) 的赋值表 案 雾 必 - 65- 4- 3- 2一l0l23456 p b 0000o0000ol0 4o8 10 p m ooo00 o0o 2 07 lo7o2o p s 0000000 4l080 40lo0 p 0 00000010050 100o0 n 0 o0000l0 ，5 l0000000 n s o00 10 40 8 10 4000000 n m o020 7l070 2000o000 n b l0080 401000000000 表3 - 3 模糊变量( a a ) 的赋值表 案 雾 测 - 76- 5- 4 - 3- 2一l0 l234567 p b o000000000