（电力电子与电力传动专业论文）模糊控制矿用电动机软起动技术的研究.pdf

黑龙江科技学院硕士学位论文 a b s t r a c t t h es o f ts t a r t i n gc o n t r o l l e ro fm i n em o t o rw i t hh i g hp e r f o r m a n c ea n d i n t e l l i g e n c eb a s e do np r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ro ff ps e r i e si sp r o p o s e d t h i sc o n t r o l l e rc a np r o v i d ec o m p l e t ef u n c t i o n sa n do b v i o u s l yi m p r o v et h e s t a r tp e r f o r m a n c eo fm i n em o t o r ，c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ls o f ts t a r t i n g c o n t r o l l e r 。 t h ev o l t a g ea d j u s t i n gm o d e lw i t ht h y r i s t o ri su s e d i nt h i sc o n t r o l s y s t e m t h ef u n c t i o no fv o l t a g e d o u b l es l o p es t a r t ，c u r r e n t - l i m i ts t a r ta n d s o f t - s t o pe t c i sr e a l i z e db ys t a t o rv o l t a g er e g u l a t i n g t h em e c h a n i s mo f f u z z yc o n t r o li su s e di ns o f ts t a r t i n gp r o c e s so fm o t o r , s t a r tc u r r e n tc o n t r o l i sr e a l i z e db yf u z z yj e g u l a t i n g ，a n da d o p t i n gt h i sm e t h o dc a ni m p r o v e s t a b i l i t ya n dr o b u s t n e s so fs y s t e m t h ek e yc i r c u i ts t r u c t u r ea n dp r o g r a mo fs o f ts t a r t i n gc o n t r o l l e ra t e a n a l y z e d ，t h ei n t e l l i g e n c es o f ts t a r t i n gc o n t r o l l e rb a s e do np l cc o m p l e t e s s i g n a la c q u i s i t i o na n dd i s p o s a l ，c u r r e n t l i m i tf u z z yc o n t r o la r i t h m e t i c ，p u l s e t r i g g e rc o n t r o la n dp r o c e s s i o no fp r o t e c t i v es i g n a le t c t h es i m u l a t i o nm o d e lo fs o f ts t a r t e ri sd e s i g n e db ym a t l a b ，r e a c h i n g t h es t a r t i n gp r o c e s so fm o t o r t h er e s u l to fs i m u l a t i o ni n d i c a t e st h a ts y s t e m a d o p t sf u z z yc o n t r o lc a no b v i o u s l yi m p r o v ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d s t a b i l i t yp r e c i s i o nc o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s o f ts t a r t i n g ；f u z z yc o n t r o l ：p l cc o n t r o l l e r ：h u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e 黑龙江科技学院学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得黑龙江科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 黑龙江科技学院学位论文使用授权声明 黑龙江科技学院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权 保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印i 缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括 刊登) 授权黑龙江科技学院研究生处办理。 研究生签名：垫j 绍盏、导师签名： 黑龙江科技学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究此课题的目的及意义 交流异步电机由于运行可靠、价格低廉等因素被广泛应用在煤 矿生产中。然而，在不采取任何起动保护措施的情况下，实施全压 起动时，电动机的起动电流可达额定电流的4 7 倍，并且电动机 转速在很短时间内由零上升到额定转速。此瞬间内过大的转矩冲击 和过大的起动电流，不仅会使电动机严重发热，降低使用寿命，同 时也会造成电网电压大幅度下降，影响其他用电设备的正常运行。 因此，当大功率的交流电动机起动，需采用专门的起动设备来完成 起动工作。 为了解决电动机直接起动时电流过大问题，人们采用了各种降 压起动方法。比较传统而且应用较普遍的有自耦变压器降压起动、 串电抗器起动、y 转换起动、延边三角形起动、电阻调节。但它 们只是缩短了大电流冲击的时间，并未从实质上解决问题，而且这 些起动设备还存在一些固有的缺点，如对负载的适应能力差、起动 电流不连续、触点继电控制、维修工作量大以及浪费能源等。 随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继研制出 一系列电子软起动控制设备，用于交流电动机的起动控制。与传统 的交流电动机起动设备相比，电子式软起动器具有结构简单、无触 点、无噪音、体积小、重量轻、起动电流及起动时间可控、起动过 程平滑等优点，同时具备完善的电机保护功能。 电子软起动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。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来说，适当调 整p i d 参数就可以获得满意的控制效果。但采用p i d 闭环控制来解 决异步电动机起动时，由于异步电动机起动过程是非线性时变系统， 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，加之p i d 参数的 黑龙江科技学院硕士学位论文 调整困难。往往在起动过程中容易产生振荡，因而单纯p i d 控制较 难得到理想的控制效果。 模糊控制是一种基于规则的控制方法“1 ，它直接采用语言型控制 规则，出发点是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识。在设 计中不需要建立被控对象的精确的数学模型，使得控制机理和策略 易于接受与理解，设计简单。而且比常规控制系统稳定性好，鲁棒 性高。 因此，本系统将模糊控制技术应用到胶带机软起动系统中，采 用模糊控制来模拟人的现场实践经验进行模糊推理和决策，克服传 统p i d 固定参数难以适应系统变化的缺点，能够降低起动电流，延 长胶带机的寿命，具有广泛的应用前景。 1 2 矿用电动机起动技术 1 2 1 矿用电动机传统起动技术 直接起动是用闸刀开关( 或接触器) 把电动机的定子绕组直接 接到额定电压的电网上。直接起动的优点是起动设备和操作简单， 而且起动转矩比采用降压起动时大。然而异步电动机是一种反电势 负载，即以反电势来平衡外加电压，在起动过程中，反电势随着转 子转速的增加而增大，然而在起动开始时反电势为零，起动的冲击 电流很大，冲击电流将达到额定电流的4 7 倍，重载起动甚至超过 8 倍。对于经常起动的胶带输送机而言，过大起动电流不仅造成电动 机发热，影响电动机寿命，同时电动机绕组在电动机作用下会发生 变形，可能造成短路而烧毁电动机：过大的起动电流将会造成电网 电压显著下降，影响同一电网其它电气设备的正常运行，严重时会 使继电保护装置动作而跳闸，造成部分设备因电压过低退出运行。 对于胶带输送机来说，过高的起动转矩对输送带、托辊、轴承、机 架等造成损伤( 机械变形、疲劳性老化、裂纹、断裂等) ，甚至会因 冲击力过大而产生断带、打滑等现象，影响安全生产。 为了解决电动机直接起动时电流过大问题，人们采用了各种降 压起动方法。比较传统而且应用较普遍的有自耦变压器降压起动、 2 黑龙江科技学院硕士学位论文 串电抗器起动、y 转换起动、延边三角形起动等等。 这些传统的降压起动方式普遍存在着起动设备复杂，故障率高， 而且还属于有级降压起动，部分起动方式存在起动电流大或起动转 矩偏小等弊端。 1 2 2 矿用电动机软起动技术 随着煤矿的现代化发展，矿用电动机软起动装置的种类越来越 多，大量的国外产品也进入我国煤矿生产中，在煤矿生产中起到非 常重要的作用。目前国内外比较常用矿用电动机软起动方式有机械 软起动、机电软起动、电子软起动 1 机械软起动 机械软起动主要包括液力调速软起动、液粘性可控驱动软起动 等”。 。 ( 1 ) 液力调速软起动 液力偶合器是传统的软起动方式，它是通过改变液力偶合器内 工作腔中的工作液的充油量，在电动机转速不变的情况下，实现电 动机软起动，使用液力偶合器的电机平均起动电流可降至1 4 0 2 0 0 $ 的额定电流，平均起动系数为1 2 1 5 ，降低2 0 左右的胶带张 力。从结构和原理的角度来看，液力偶合器的输出转速和输入转速 之比通常不能高于9 7 ，否则无法实现输入轴和输出轴的同步运行， 因而必然存在较大的功率损失，降低了传动系统的效率。对于大功率 传动来说这种功率损失往往是不容忽视的。 ( 2 ) 液粘性可控驱动软起动 液体粘性传动装置是7 0 年代中期发展起来的一种新型流体传动 装置，该装置是利用油膜剪切力来传递力矩。通过调节油膜厚度从 而达到改变输出转速和转矩的目的。可以实现软起动、功率平衡、 慢速运行、过载保护等功能b 3 ，传动比可达l ：l 。调速范围为l o 1 0 0 。但在调速过程中存在滑差和功率损失，此外需要增加水冷却 系统。摩擦片容易损坏、使用寿命短，系统难以准确控制。 2 机电软起动 杌电软起动包括可变速直流起动、绕线转子电机驱动、c s t 等。 其中c s t 是一个带有电一液反馈控制及齿轮减速器，在低速轴端装有 黑龙江科技学院硕士学位论文 离合器的机电一体化的高技术驱动装置系统。电一液控制系统是c s t 系统的“大脑”，它对整个硬件系统提供完整的控制。主要包括电控 器、液压控制器、数字测速器等，通过固态数字逻辑电路提供准确 的速度控制，整个工作过程通过计算机工作站编程控制及屏幕显示。 采用c s t 软起动系统，用户根据实际需要，通过控制器设置所需 要的加速度曲线和起动时间，在接收到起动信号后，电动机空载起 动，达到额定速度后，液压系统开始增加离合器反应系统的压力。 使其输出扭转与液压系统的压力成正比。按在输出轴的速度传感器 检测出转速并反馈给控制系统，该信号与控制系统设置信号比较后。 从而确保输送机稳定起动。目前，美国、澳大利亚和日本等国都开 发了c s t 软启动装置，该装置应用到煤矿高带速、大运量的带式输送 机上，取得很好的效果，但前期的巨大投入让许多用户者无法承受。 3 电子软起动 电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的，英国人 最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机的软起动进行应用。由 于采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以曾引起人们广泛的 注意。电子软起动包括变频软起、三相晶阃管交流调压软起动、p s i 系列固态降压软起动等，常用的是变频软起动与晶闸管交流调压起 动。 ( 1 ) 变频软起动 变频软起动技术是指电动机转速与交流电源的频率成正比，当 交流电源的频率由小到大变化时，电动机转速也使之由小到大变化。 只要控制频率变化范围和时间，就可使电动机按照设定的速度曲线 起动，从而实现软起动。变频软起动的优点是起动时的调速精度高， 可以变速运行，调速范围大。但是目前大多数变频器需依赖进口， 价格昂贵。在井下使用时，功率器件的发热较难，同时因变频器特 别使用与经常需要调速的场合，而输送机则只有在起动和停止时才 需要变速，显得不够经济。 ( 2 ) 晶闸管交流调压软起动 晶闸管交流调压软起动主回路采用三对反并联的晶闸管，利用 晶闸管进行调压，其输出电压大小由晶闸管的导通角决定，而晶闸 管的导通角又与其控制有关“1 。控制角越小，输出越大。因此，只需 要在起动过程中通过控制晶闸管的控制角大小，就可实现电动机端 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 电压与起动电流进行控制。 近二十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的 研究，在工业应用领域得到应用，在某些领域应用显示出独特的技 术优势。目前a b b 公司“p s t ”系列具有语言沟通能力，事件记录， 旁路监测存储、总线控制等功能；德国的西门子公司推出一系列产 品能够实现故障识剐，能够显著降低变速结构中的撞击，使磨损降 到最轻微程度，提高机械传动元件使用寿命；施耐德公司将原变频 调速中的矢量控制和磁场定向控制引入，创立软起动技术的转矩控 制。 国内晶闸管电机软起动器市场的开拓起步于二十世纪九十年代 初，经过十几年的努力，国内电机软起动器市场已趋于成熟，电机 软起动技术及其产品己被市场接受并得到了一定程度的应用。与此 相比，国产品牌电机软起动产品的性能和质量却难如人意，基本上 还处于的低技术层次的初级阶段。 1 3 模糊控制技术 l a z a d e h 教授在1 9 6 5 年发表。f u z z ys e t s ”一文第一次提出了 表达事物模糊性的重要概念哺1 一隶属函数，从而突破了1 9 世纪末德 国著名数学家g c o n t o r 创立的经典集合理论的局限性。借助于隶属 函数可以表达一个模糊概念从“完全不属于”到“完全属于”的过 渡，才能对所有的模糊概念进行定量表示。隶属函数的提出奠定了 模糊理论的数学基础。这样像“冷”和“热”这些在经典集合中无 法解决的模糊概念就可在模糊集合中得到有效表达。这就为计算机 处理这种信息语言提供了一种可行的解决方法i 1 9 7 4 年，l a z a d e h 教授又进行了模糊推理的研究工作1 ，从此， 模糊理论成了一个热门的课题。建立在模糊逻辑基础上的模糊推理 是一种近似推理，可以在所获得的模糊信息前提下进行有效的判断 和决策。而基于二值逻辑的演绎推理和归纳推理对此却无能为力， 因为它们要求前提和命题都是精确的，不能有半点含糊。同年，英 国的e 。h m a m d a n i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了世界上第一个 蒸气机控制，并取得了比传统的数字直接控制方法更好的效果。它 5 黑龙江科技学院硕士学位论文 的成功标志着人们将模糊控制应用于实际工业控制的开始，从而宣 告了模糊控制的问世。第一个有较大进展的商业化模糊控制器是在 丹麦诞生的。1 9 8 0 年l e h o l m b l a d 和o s t e r g a r d 在水泥窑炉上安装 了模糊控制器并获得了成功，这个成果很快引起了有关学者的极大 关注。事实上，模糊逻辑应用最有效、最广泛的领域就是模糊控制。 随着其它学科新理论、新技术的建立_ 和发展，模糊理论的应用 更加广泛。模糊理论结合其它新技术，同人工神经网络( n e u r a l n e t w o r k ) 和遗传基因( g e n e t i cm e c h a n i s m ) 形成交叉学科神经网络模 糊技术( n e u r o nf u z z yt e c h n i q u e ) 和遗传基因模糊技术( g e n e t i c f u z z y t e c h n i q u e ) ，用于解决单一技术不能解决的问题。模糊理论在 其它学科技术的推动下，正朝着更加广泛的方向发展。 模糊理论7 0 年代后期传到我国。近2 0 年来，我国在理论研究 和应用开发上取得了较大成绩，但研究阵容偏重于理论研究，而在 应用开发上与日本相比则有较大的差距。由于多方面的原因，我国 的一些研究成果一时还难以形成应用产品。为了迅速扭转这一局面， 我国已着力推行“模糊技术产业化”政策，开发一些模糊产品。国 家教育部已投资几十万美元在北京师范大学建立了重点实验室，加 强应用开发，国家自然科学基金委员会于1 9 8 9 年将“模糊信息处理 与机器智能”课题列为重大研究项目，给予上百万元强度的研究资 助。模糊推理机作为该项目成果之一，已成功地用于倒摆、地膜机 等的模糊控制。特剐是在近年来，国内掀起了模糊控制技术的研究 和开发热，发展十分迅速，并取得了可喜成绩。国内几家大型家电 生产集团己成功开发出了国产模糊控制洗衣机，如“小天鹅、“海 尔”、“小鸭”、“金羚”等名牌智能型洗衣机，且达到了国际先进水 平，正在产生巨大经济效益。众多的研究机构、高等院校也投入大 量的人力和物力进行模糊技术的研究与开发。 1 4 本文主要研究内容 在深入分析电子软起动原理和控制方式的基础上，本文主要研 究内容如下： ( 1 ) 对电动机软起动原理进行分析，选择主电路： 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( 2 ) 对矿用电动机起动过程采用模糊控制策论； ( 3 ) 完成模糊控制器的设计； ( 4 ) 基于三相调压电路的软起动的具体实现方案，对系统的硬 件组成进行了详细的分析和设计，同时研究了系统软件结构； ( 5 ) 通过m a t l a b 软件建立软起动控制器模型，并验证结果。 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 第二章矿用电动机软起动器整体设计方案 矿用电动机软起动器是一种集软起动、软停车及多种保护功能 于一体的控制装置。在整个系统设计时，首先对电动机的基本方程 和起动过程进行认真研究，选择适合本文所设计软起动控制器的主 回路，并赴现场了解矿用胶带输送机的工作原理，查找相关设计参 数与数据，明确了各项设计指标。为矿用电动机软起动器设计打下 了良好的基础。 2 1 系统实现的功能 1 技术特点 ( 1 ) 电动机起动不受电网电压波动的影响 由于在晶闸管的移相电路引入了电流反馈，因而使电动机在起 动过程中基本保持恒流、平稳起动。同时，由于以起动电流为定值 整定，当电网电压上下波动时，通过控制电路自动增大或减小晶闸 管导通角来维持原设定值，可保护起动电流恒定。 ( 2 ) 结构简单，重量轻，无噪音。 作为无触点控制，其使用寿命比传统的接触器延长，安装、操 作、使用简便，平滑、渐进的起动过程也降低了设备的振动和噪声， 延长拖动机械设备的寿命。 ( 3 ) 诊断保护功能齐全 提供设备的监控保护可快速诊断故障信息，如过流、过载、缺 相等，保护整定值可由用户指定，保护性能可靠。系统具有白检功 能，可智能检测器件的故障，能够自动识别相序；同时具有事件记 录功能，保存最近发生的1 0 0 个事件。 ( 4 ) 实现智能化与网络化 系统带标准的r s 4 8 5 接口，通过标准接口传输数据，可集成网络 化，实现分散控制，集中管理。将模糊控制引入到起动控制中，模 糊控制主要是模仿人的控制经验，因此模糊控制能近似地反映人的 控制行为，具有很强的鲁棒性，真正意义上的实现智能化。 8 黑龙江科技学院硕士学位论文 ( 5 ) 友好人机界面 友好人机界面通过触摸屏来实现，在电动机起动前可通过触摸 屏设定参数，参数设置方便、简单；系统工作时能够显示工作电压、 工作电流等运行参数；发生故障时显示故障类型及其故障信号大小。 2 技术指标 ( 1 ) 适用范围：矿用笼型异步电动机； ( 2 ) 起动方式：全压起动、恒流起动、电压双斜坡起动等； ( 3 ) 技术参数： 额定电压( v ) ：a c l l 4 0 、6 6 0 ( 一2 5 1 0 ) ，5 0 h z 三相； 额定电流( a ) ：1 0 2 0 0 ( 1 1 4 0 v ) ，1 7 2 0 0 ( 6 6 0 v ) ： 恒流范围：2 3 5 倍： 恒流起动时间：5 6 0 秒： 双斜率起动时间：o 6 0 秒； 突跳起动时间( 毫秒) ：l o 1 0 0 0 ； 初始电压：2 0 1 0 0 乩； 保护功能：过载，过流，漏电闭锁，可控硅散热器过热，可 控硅故障，断相，过压，欠压； 起动频率：每小时小于1 2 次，每次间隔大于5 分钟。 2 2 系统总体设计说明 2 2 1 矿用电动机软起动原理分析 起动是交流异步电动机的一种特殊运行状态，首先必须满足生 产工艺的要求，同时还要使电动机能够合理运行。对其起动性能的要 求主要是：具有足够大的起动转矩，以保证生产机械能够正常起 动；在保证一定大小的起动转矩的前提下，电动机的起动电流越 小越好；起动设备力求结构简单，操作方便；起动过程的能量 损耗越小越好。 1 软起动主回路选择 评价异步电动机的起动性能主要看它的起动转矩和起动电流。 般都希望在起动电流比较小的情况下，能得到较大的起动转矩。 9 黑龙江科技学院硕士学位论文 通过对电动机起动过程分析，其转矩近似与定子电压的平方成正比， 电动机的定子电压又和电流成正比。使得电动机的起动转矩和初始 电流可以通过调节定子电压的控制方式来实现，可以满足不同的负 载起动特性。根据以上分析，在设计时采用晶闸管调压电路作为软 起动主回路。 2 晶闸管调压电路原理 在交流供电电源和电机之间接入晶闸管调压电路。把两个晶闸 管反并联后串联在交流电路中，通过改变晶闸管钓导通角来达到改 变电机两端电压的目的。采用晶闸管电路调压有两种方式：一种是相 控调压，即利用加到晶闸管的门极脉冲相位的改变来调整输出电压： 另一种是斩波调压，即利用改变元件占空比来改变出端电压的有效 值。 3 软起动起动方式 在电动机起动过程中，通过控制电路来控制晶闸管导通角的大 小，使电动机的起动电流可根据工作要求设定的规律进行变化。电 动机的起动电流大小、起动方式均可任意调整和选择，使电动机处 于最佳的起动过程，同时还可以减小起动功率的损耗。根据不同的 负载，软起动器有不同的起动方式，如电压斜坡起动方式，电流限 制软起动方式，转矩控制软起动方式等。 2 2 2 控制算法的确定 1 控制算法比较 ( 1 ) p i d 控制算法 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、可 靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中，特别适用于建立精 确数学模型的确定性系统。p 1 d 控制控制一个关键问题便是p i d 参数 整定，但实际工业生产过程中往往具有非线性、时变不确定性，难 以建立精确的数学模型，应用常规p i l 3 控制器不能达到理想的控制效 果，而且在实际生产中，由于受到参数整定方法繁杂的困扰，常规 p i d 控制器参数往往整定不良、性能欠佳，对运行工况的适应性很差。 ( 2 ) 模糊控制算法 1 0 黑龙江科技学院硕士学位论文 模糊控制是一种模仿人的智能的控制方法，它不依赖于对象的 精确数学模型，而是依据人的经验通过对模糊信息的处理做出对复 杂对象的控制。模糊控制是建立在模糊推理基础上的一种非线性控 制策略，它通过模糊语言表达了人们的操作经验以及常识推理规则。 采用这种控制策略的控制器就叫模糊控制器，它是一种语言型控制 器，在近年来得到快速的发展。模糊控制器是以模糊集理论为基础 发展起来的，它能够方便地将专家的经验与推理输入到计算机中，使 计算机在控制时可以像人一样思考并解决问题，从而达到控制被控 对象的目的。实践证明模糊控制器有更快的响应和更小的超调，对过 程参数的变化也不敏感，具有很强的鲁棒性，可以克服非线性因素的 影响。模糊控制器的明显的特点总结为以下五点： 无需知道被控对象精确的数学模型； 是一种反映人类智慧思维的智能控制； 易被人们接受； 构造容易； 鲁棒性好。 基于模糊控制具有以上如此明显的优点，所以模糊控制非常适 用于非线性、数学模型不确定的控制对象，对被控对象的时滞非线 性和时变性具有一定的适应能力，同时对噪声也有较强的抑制作用。 但模糊控制器本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高 的控制精度。 ( 3 ) 智能p i d 控算法 传统的p i d 控制最主要的问题是参数整定问题，一旦整定计算 好后，在整个控制过程中固定不变的，而在实际系统中，由于系统 状态和参数等发生变化时，过程中会出现状态和参数的不确定性 系统很难达到最佳的控制效果。因此，在现代工业过程控制中，采 用传统的p i d 控制器难以获得满意的控制效果。 智能p i d 控制就是将智能控制( i n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 ) 与传统的p i d 控制相结合，具有自适应性。它的设计思想是将人工智能以非线性 控制方式引入到控制器中，使系统在任何运行状态下均能得到比传 统p i d 控制更好的控制性能。具有不依赖系统精确数学模型和控制 器参数在线自动调整等特点，对系统参数变化具有较好的适应性。 模糊p i d 控制是利用当前的系统误差与误差变化作为输入，结 黑龙江科技学院硕士学位论文 合被控过程动态特性的变化，以及针对具体过程的实际经验，根据 一定的控制要求或目标函数，通过模糊规则推理，对p i d 控制器的 三个参数进行在线调整。 专家系统是一种能在某个特定领域内，以人类专家水平解决该 领域中专门任务的计算机系统，其内部具有某个领域中大量专家水 平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解 决该领域的问题。专家p i d 控制采用规则p i d 控制形式，通过对系 统误差和系统输出的识别，以了解被控对象过程动态特性的变化， 在线调整p i d 三个参数，直到过程的响应曲线为某种最佳响应曲线。 它是一种基于启发式规则推理的自适应技术，其目的就是为了应付 过程中出现的不确定性。 神经网络系统亦称为人工神经网络，就是将人工神经元按某种 方式联结组成的网络，用于模拟人脑神经元活动的过程，实现对信 息的加工、处理、存储等。神经网络有前向网络( 前馈网络) 、反馈 网络等网络结构形式。与模糊p i d 控制和专家p i d 控制不同，基于 神经网络的p i d 控制不是用神经网络来整定p i d 的参数，而是用神 经网络直接作为控制器，通过训练神经网络的权系数间接地调整p i d 参数。 2 模糊控制算法的选取 通过以上的分析，了解各种算法的特点，p i d 控制算法是目前 比较常用的算法，控制起来比较方便，但要依赖较精确的数学模型。 矿用电动机起动过程中，反馈电流与晶闸管触发角难以建立精确的 数学模型，p i d 参数确定以后，在整个控制系统中将固定不变，由 于电动机在起动过程中会出现状态和参数的不确定性，系统很难达 到最佳的控制效果。考虑以上问题，故在本文设计中不选择p i d 控 制算法。模糊控制与智能控制p i d 算法将人工智能以非线性控制方 式引入到控制器中，使系统在任何运行状态下均能得到比传统p i d 控制更好的控制性能。智能控制p i d 算法具有控制器参数在线自动 调整等特点，对系统参数变化具有较好的适应性。所以在设计中可 选择模糊控制算法( 或智能p i d 算法) 作为控制算法。但从算法设 计难易程度、适用性以及控制器存储量大小等因数考虑，选择模糊 算法要好于智能p i d 控制算法，故本文控制算法选择模糊控制算法。 通过第七章的软起动器控制系统仿真结果中，可以看出选择模糊控 黑龙江科技学院硕士学位论文 制算法是可行的。 2 2 3 系统硬件设计说明 矿用电动机软起动器硬件电路是保证整个系统正常工作的基 础，箕性能优劣直接影响到整个系统工作的可靠性、安全性和连续 性。硬件电路的设计过程中，始终以实用性为最终目标。其原则为： 提高系统检测电流、电压等信号的准确性和可靠性； 从煤矿生产的角度出发，方便煤矿企业安装、调试、运行、 维护： 在满足性能要求的前提下，尽量简化硬件系统，降低系统的 总体成本。 _ 旁路回路旨 一 i a 相m 竹 rb 相二x 止 c 相 忖 l 二斗斗l il _ 伊掣 ： r 、n 网i f i i 本质安全l亘科i p l c 控制器 l 先导回路l i 信号检捌电路j 图2 - 1 系统硬件结构图 f i g 2 1t h es y s t e mh a r d w a r e 本软起动器硬件结构整体框图见图2 1 ，采用晶闸管反并联构成 三相交流调压主回路，以p l c 及外围电路构成控制器系统，通过控 制晶闸管的触发角，调节晶闸管的开通时间，从而调节输出电压， 使得起动电流缓慢上升。起动过程中引入电流负反馈控制，使起动 电流按照一定的速度上升到设定值，从而实现电机平稳起动。电流 黑龙江科技学院硕士学位论文 负反馈的作用还表现在如果一旦出现电压波动情况，这时就可以通 过调节晶闸管的导通角来调整电机的端电压，保证起动电流稳定， 进而保证电机正常起动。而对于不同负载下电机的不同起动要求， 可以无级调整起动电流设定值，改变电机的起动时间来达到最佳起 动时间控制的目的。硬件结构图中各主要部分功能简述如下： 1 主回路 将六个反并联的晶闸管分别串联在y 接法的电机三相线圈上， 主电路中每相都由两只晶闸管反并联构成，可控硅的导通角由移相 触发电路控制，从而实现对电动机起动电流的限制。 2 控制电路 软起动器在本质上作为一种交流调压装置，要求实现电机的软 起动、停机及保护等多种功能，它的核心是控制电路。该部分主要 功能就是对各种信号进行数学运算和逻辑判断等处理，控制调压系 统中各个部分协调工作。控制电路设计主要包括主控芯片的选择、 信号检测电路、保护电路等部分。 3 触发电路 该软起动控制器利用t c 7 8 7 触发芯片与各相同步信号波形比较 来产生触发信号，触发信号输出通过脉冲变压器驱动晶闸管。 4 本质安全先导回路 控制系统在远方控制、程序控制和自动控制下工作时，它与远 方控制按钮之间的联接电路称先导电路，而且必须是本质安全型的。 它是控制主电路闭合( 或断开) 时最先接受指令信号的控制电路。 在井下，随着功率的增大，控制方式越来越趋向集中化，远方控制 的距离越来越长，致使电缆被短接的概率增大，因此对本质安全电 路的设计要求越来越高。 2 2 4 系统软件设计说明 硬件设计是系统的基础，然而要使系统能够较好的运行更要求 有软件这一灵魂来支持。而其中系统软件的设计在控制系统中有着 举足轻重的地位，它直接关系到系统能否正常运行、能否较好的满 足系统的设计要求。 采用p i d 控制来实现电动机软起动不能达到较好控制要求，为 1 4 黑龙江科技学院硕士学位论文 此在电动机软起动控制系统中引入模糊控制技术，实现了软起动器 的高性能控制以及优化起动和停机性能的目的。在控制系统中，为 了简化硬件、提高系统的可靠性，很大一部分硬件功能由模块化软 件程序来实现。模块化程序是把一个较长的程序分解为若干个功能 相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行设计、编程和 调试，最后把各个调试好的程序模块连成一个完整的程序。模块化 程序设计方法的优点是单个较小的程序模块的设计和调试比较方 便，一个模块可以为多个程序所共享，还可以利用各种现成的程序 模块。程序设计完毕后，进行_ 段时间的现场试运行，以验证程序 功能是否满足设计要求，是否达到预期效果。 黑龙江科技学院硕士学位论文 第三章矿用电动机软起动原理分析 矿用电动机广泛应用到煤矿企业中，随着煤矿生产机械的不断 更新和发展，对电动机的起动性能也提出了越来越高的要求，归纳 起来有以下几个方面： 要求电动机能平稳的起动转矩和符合要求的机械特性曲线； 尽可能小的起动电流； 起动设备尽可能简单、经济、可靠、操作方便： 起动过程中的功率消耗尽可能地少 软起动控制器设计要满足以上要求，首先就应该对电动机起动 过程有深刻的了解，明确起动中各参数之问的相互关系，进而选择 合理起动方式。 3 1 电动机起动过程分析 为了研究矿用电动机的起动和停车时的电压、电流、转矩等变 量之间的关系，同时简化计算的复杂程度，很有必要进行异步电动 机的简化分析，这样就可以更容易理解软起动的控制过程。 3 1 1 异步电动机等效电路 三相电动机的转子电路与定子电路之间只有磁的联系，并无直 接的电的联系，如果能用一个等效电路来代替它，则可使三相异步 电动机的运行分析更加简单、方便。 经过频率和绕组折算，得到三相异步电动机的每相t 型等效电路 如图3 1 所示阳1 。等效电路中蜀为定子电阻，x 。为定子漏电抗， 为归算以后的转子电阻，z ：为归算以后的转子漏电抗。r 。为定子铁 心损耗所对应的等效电阻，工。为励磁电抗。【1 为定子电压向量，言l 为定子感应电动势向量，应2 为转子感应电动势向量，1 为定子电流 向量。jo 为磁化电流向量，丘为转子电流向量。 1 6 黑龙江科技学院硕士学位论文 图3 - 1 异步电动机t 型等效电路 f i g 3 - 1tt a p ee q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r 异步电动机的定子、转子之间存在气隙，空载电流( 流过励磁 支路) 相对来说比较大，一般不可以忽略。往往为了简化计算，可 以把励磁支路移到等效电路的输入端，从而变成简化等效电路，图 3 2 为三相异步电动机的简化等效电路。 图3 - 2 异步电动机简化等效电路 f i g 3 2t h es i m p l i f i e de q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r s 当然，利用简化等效电路计算的结果会有一定的误差，但是对 于一般容量不太小的电动机而言，这种误差是容许的，因此能满足 工程上所要求的精度。为了进步研究异步电动机的起动和停机时 的电压、电流、转矩等变量的关系，应从三相异步电动机的运行状 态和生产机械的负载转矩特性出发。 3 1 2 交流电动机的机械特性 机械特性是电动机运行中重要的特性，三相电动机的机械特性 是指在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩r 与转速n 或 转差率s 间的函数关系。 由电机学知识可以求出三相异步电动机机械特性的数学表达式 1 7 黑龙江科技学院硕士学位论文 为 3 u 。2 。堕 丁。i 丽i 甄高 。d 式中 弗。一磁极对数； 一电源频率。 可以看出，电磁转矩r 与转差率j ( 或转速n ) 之间并不是线性关系。 当定子相电压u 1 和频率 一定时，电动机参数可以认为是常用”1 ，电 磁转矩r 仅与转差率s 有关。 由式3 1 可知，机械特性表达式为二次方程，其电磁转矩必有最 大值，称为异步电动机的最大转矩。式3 1 对转差率s 求导，并令 d t d s = o ，则最大转矩时的转差率s k 为 以1 尘 ( 3 2 ) 砰+ 。+ z 0 ) 式中 j k 一临界转差率。 将式3 2 代入式3 1 ，则最大转矩矗为 l 。型霉r 丝- 一 ( 3 3 ) 1 _ 。j i ：i ：i j i ：j ；：i i ：i 7 i i i i i j i i 丽 、。7 2 x 石x ，l 【焉+ 、r ；+ ( z k + x 乞) 】 根据式3 1 、式3 2 和式3 3 可绘制交流电动机的转速和转矩的关 系公式万_ ，( d 机械特性曲线见图3 3 。 从图3 3 中可看出电动机特性大致可分成两段；一段为s = l 至：l j s = s k 这是一类似双曲线段，这段是特征曲线的非工作部分，实际上是电 动机的起动状态段和制动状态段，是不稳定工作段。 另一段是s s k 至l j s = o 的那一段，它是电动机的工作部分，通常根 据负载确定的某一工作点正是在这段线段中，只要系统不出现问题， 则此段是电动机稳定工作段。 黑龙江科技学院硕士学位论文 0 瓦 丁 图3 - 3 交流电机机械特性 f i g 3 3t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fa cm o t o r s 当三相异步电动机起动时，转子转速为0 ，转差率s = l ，由式3 1 得到起动转矩的公式为 l - 丽2 x ：r 磊蒜斋岳秭 4 ， ， - 一 、d 鼍， x ，l “ + 碰) 2 + 僻。+ 工0 ) 2 】 。“ 电动机起动时，l 僻i + r d + j ( x 。十x ：) i 要比i 僻1 + r 。) 町( z 。柑，m ) l 小很多，所以简化等效电路的等效阻抗为 z - ( r + r ：) 2 + z k + 石0 ) 2 ( 3 5 ) 由式3 5 可以求得异步电动机的起动电流为 j 。堕。一 丝 ( 3 一、 k瓦、(ri+r12)2+(xla+x2a) u t 3 ) 由式3 。4 和式3 。6 可知，在转速或转差率一定时，起动转矩与定 子两端电压【，1 平方成正比，起动电流与定子两端电压【，1 正比，同时 电动机定子、转子漏抗在电动机起动时，由于定子、转子电流比额 定电流大的多，使得漏磁路中的铁磁部分发生饱和，引起总的漏磁 阻变大，起动转矩与起动电流变大。因此当电动机起动时，如果将 电压直接加到定子两端，将产生极大的冲击转矩和冲击电流，对设 备很不利。 直接起动时，起动转矩比降压要大，但相对其起动电流的增大 来看，起动转矩却并没增加那么大，因为起动转矩决定于转子电流 的有功分量和气隙磁通。起动时s = l ，转子漏电抗最大，功率因数很 黑龙江科技学院硕士学位论文 低( 一般为0 3 左右) 。很大的起动电流使定子阻抗压降增大，从定子 侧电压平衡关系分析，必然导致定子电动势下降、气隙磁通降低。 起动转矩小，将延长起动时间，增大起动过程的能量损耗，降低生 产率。如果起动转矩小于负载转矩，则电动机将无法起动。 根据上述分析，当电源频率和电动机的参数都不变时，在一定 的转差率下，起动转矩与电动机定子端电压的平方成正比，起动电 流与定子端电压成正比，因此，可以通过控制定子端电压对起动转 矩和起动电流进行控制。这就是许多起动方式和起动设备所采用的 理论依据。通过控制电动机的起动电压，避免了起动转矩和起动电 流的峰值过大。一方面可以使供电系统避免遭受到过大起动电流的 冲击，另一方面也使工作机械免受交流电动机起动过程中过大的加 速转矩应力的冲击，大大减轻了作用在被传送物体上的机械应力， 减小了工作机械和传动装置零部件的磨损，从而达到减少维护、提 高工作安全性和延长设备使用寿命的目的。 3 2 晶闸管调压电路软起动原理分析 3 2 1 晶闸管调压原理分析 在交流供电电源和电机之间接入晶闸管调压电路，把两个晶闸 管反并联后串联在交流电路中，通过改变晶闸管的导通角来达到改 变电机两端电压的目的。采用晶闸管电路调压有两种方式1 ：一种是 相控调压，即利用加到晶闸管的门极脉冲相位的改变来调整输出电 压；另一种是斩波调压，即利用改变元件占空比来改变出端电压的 有效值。 1 斩波调压 斩波调压即相当于把双向晶闸管当作静止接触器，交瞀的接通 和切断几个周期内的电源电压，改变接通的周期数和切断的周期数 来改变输出电压的有效值。当斩波调压用在异步电机定子上时，通 断交替的频率不能太低，否则一方面会引起电机转速的波动，另 方面每次接通电机就相当于一次异步电机重新合闸过程。当电源切 断时，电机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转 黑龙江科技学院硕士学位论文 子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化， 当断流时间间隔较长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新 接通时的电源电压在相位上有可能会有较大的差别，这样就会引起 较大的电流冲击，将会危及晶闸管的安全。而为了实现软起动的功 能，达到加载在电机两端的电压缓慢的上升，就必然要求导通和切 断的周期数较多。这样就使得晶闸管的工作频率较低。断流时间间 隔较长；又由于晶闸管不能自关断，如果采用斩波技术时，还需要 附加斩波电路或用自关断器件来替代晶闸管，这样就带来装置的复 杂性以及价格上升等问题，因此在异步电机调压控制中，晶闸管电 路调压一般都用相控技术。 2 相控调压原理 移相调压时，输出电压波形己不是完整的正弦波，但输出电压 不含偶次谐波，而奇次谐波中则以三次谐波为主要成分。当然，采 用相控技术产生的谐波，会在异步电机中引起附加损耗，产生转矩 脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学 知识中可以知道，在晶闸管交流调压电路带感性负载时，只有当移 相角口大于感性负载的功率因数角9 时，才会起到调压作用。 3 2 2 软起动器主电路原理分析 本文采用晶闸管调压原理。通过相控调压的方式调节电机定子 端电压的大小来实现软起动器的各种功能。主电路形式如图3 4 所 示。 图3 4 晶闸管三相调压电路 f i g 3