软启动技术在异步电机控制中的应用研究.doc

本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 23 页1 绪论三相交流异步电动机因为具有结构简单、环境要求不很严格、经济运行成本较低等方面的优点，而被广泛地应用于电力拖动中。自第一台异步电动机问世以来，人们对它的各个方面的研究就从来没有停止过，“起动”也不例外。1.1 电机传统起动方法概述1.1.1 直接起动在额定电压下的直接起动方式，又被叫做硬启动。在启动时用刀开关，电磁起动器或接触器将电动机定子绕组直接接到电源上，取熔体的额定电流为电动机额定电流的2.5到3.5倍。在实际应用中多数电气设备是采用直接起动，这种方式系统接线简单，操作和维护方便，起动速度快，是一种最简单，最常用的起动方式。但是直接起动存在一定的危害和局限性1。(1) 直接起动的电机的起动电流很大对电网冲击大。对其他运行中电设备造成影响，还可能使低电压保护动作，威胁相关设备的安全运行，使电机本身及系统的继电保护的整定和配合增加难度，降低了保护的灵敏度。(2) 直接起动的电机由于过大的起动电流会使电机绕组发热，导致绝缘老化加速，影响电机寿命，同时机械冲击过大往往会造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损，导致击穿烧机，转轴扭曲，联轴节，传动齿轮损伤和皮带撕裂等。(3) 直接起动的电机在起动时，其机械系统容易由于电气系统的突变而对机械系统造成冲击，甚至影响正常的过程控制。1.1.2 定子回路串电阻或电抗起动交流异步电动机定子串电阻降压启动适用于中等功率的电动机要求平稳的场合。起动的时候在电动机的定子绕组里串入一定阻值的电阻或电抗，则起动过程中加在电机定子绕组接线端的电压就会降低，起动结束后再将它们切除2。一般采用串固体电阻降压启动的电动机，启动时加在定子绕组上的电压约为全电压的一半左右，适应期启动转矩约为额定电压下启动转矩的0.25倍左右。这种起动有着明显的缺点：若串入的是电阻，则不仅会增加电机的能耗，而且是有级起动；若串入的是电抗，则会降低电动机本身的功率因素。1.1.3 星-三角形降压起动星-三角启动时常用降压启动方法中的一种。星-三角启动的方法适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电动机，启动时定子绕组接成星形，启动完毕后再换接成三角形。星-三角启动设备操作很简单，仅比全压直接启动的方法多一只交流接触器，因此星-三角启动设备也具有经济，可靠，耐用，免维护的显著有点。Y系列中4KW以上的电动机，定子绕组都按三角形接法设计，便于采用星-三角启动。星-三角启动设备的缺点是只能分两级启动电动机，启动仍有冲击，且启动转矩小，由于转子接成星形后，每相绕组的相电压为三角形连接（全压）时的，所以星-三角启动时启动电流及启动转矩均下降为直接启动的。因此，星形-三角形启动适合于电动机的空载或轻载启动，并且局限于正常运转时为三角形接法的异步电动机，不适用于其它不同的启动要求，另外电动机的6个端子都必须引出，布线电缆多，若距离远则工程成本增加较多3。1.1.4 自耦变压器自耦变压器高压边接电网，低压边接电动机，启动时断路器闭合，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上，当转速上升到一定程度后自耦变压器被短接，电动机的定子绕组被接上全压，进入正常运行状态。在自耦变压器降压启动线路中，电动机电流的限制是依靠自耦变压器的降压作用来实现的。电动机启动时，定子绕组得到的电压时自耦变压器的二次电压。自耦变压器二次侧一般有几组抽头，可以根据具体情况选择不同的变压比来调节电动机启动电流和启动转矩。若自耦变压器的变比为k，则自耦变压器启动时启动电流为全压启动的同时启动转矩也下降到全压启动转矩的。因此，自耦变压器启动时，转矩的损失相对较小，可以拖动较大负载启动。自耦降压启动方式对运行时为星形接线或三角形接线的异步电动机均适用。通常用于控制320kV以下的电动机做不频繁启动，停止使用，具有过载和失电保护功能；也具有可靠，耐用，免维护的特点，电动机引出线只需要3根。其优点是起动电压可以选择，可以适应不同负载的要求。缺点是分级启动，体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。1.2 软启动技术的研究与发展趋势降压(限流)软启动是通过降低电机启动时的电压的方式完成正常的起动工作。电动机采取降压起动的条件分别是：(1) 电动机起动时，机械不能承受全压起动的冲击转矩。(2) 电动机起动时，其端电压不能满足规范要求。(3) 电动机起动时，影响其他负荷的正常运行。对于降压起动目前有两种方式：一种是降压起动，一种是软起动。它经过了三个发展阶段：第一阶段，“Y-”起动器和自藕降压起动器。第二阶段，磁控式软启动器。第三阶段，电子软启动器也是目前最先进最流行的。电子软启动器它既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击，同时，还能实现直接计算机通讯控制，为自动化智能控制打下良好的基础4。 软起动是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。国外称为Soft Starter，软起动的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。电动机软起动器是运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多5。1.2.1 电子软起动器优点电子软起动器相对于传统的起动方式，其突出的优点体现在：(1) 电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节，所以电子软起动器是无级调节的，能连续稳定调节电机的起动，而传统起动的调节是分档的，即属于有级调节范围。(2) 冲击转矩和冲击电流小。软起动器在起动电机时，是通过逐渐增大晶闸管的导通角，使电机起动电流限制在设定值以内，因而冲击电流小，也可控制转矩平滑上升，保护传动机械、设备和人员。(3) 软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动。(4) 根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流，节省电能。(5) 由于采用微机控制，可在起动前对主回路进行故障诊断，且数字化的控制具有较稳定的静态特性，不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响，因此提高了系统的可靠性，有助于系统维护。同时，软起动器还能实现直接计算机通讯控制，为自动化控制打下良好的基础6。1.2.2 未来展望短期展望，软起动将仍然以各种形式的降压(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，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)都可能会赢得自己的市场。长期展望，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，未来成为主流产品的软起动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器7。1.3 MATLAB在电机仿真中的应用MATLAB是国际上仿真领域最权威、最实用的计算机工具。它是高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。它将计算，可视化和编程结合在一个易于使用的环境中，此而将问题解决方案表示成我们所熟悉的数学符号。MATLAB是一个交互式系统，它的基本数据元素是矩阵，且不需要指定大小。通过它可以解决很多技术计算问题，尤其是带有矩阵和矢量公式推导的问题，有时还能写入非交互式语言如C和Fortran等。在大学环境中，它作为介绍性的教育工具，以及在进阶课程中应用于数学，工程和科学。在工业上它是用于高生产力研究，开发，分析的工具之一。MATLAB的一系列的特殊应用解决方案称为工具箱（toolboxes）。作为用户不可缺少的工具箱，它可以使你学习和使用专门技术。工具箱包含着M-file集，它使MATLAB可延展至解决特殊类的问题。在工具箱的范围内可以解决单个过程，控制系统，神经网络，模糊逻辑，小波，仿真及其他很多问题。经过几十年的完善和扩充，它已发展成线形代数课程的标准工具。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境。其包含的SIMULINK是用于在MATLAB下建立系统框图和仿真环境的组件，其包含有大量的模块集，可以很方便的调取各种模块来搭建所构想的试验平台8。1.4 课题的意义异步电动机在生产和生活中得到了广泛的应用，成为当今传动工程中最常用的动力来源。在许多场合，过大的启动电流会对整个传动系统产生不良的影响。为了满足电动机自身启动条件，负载传动机械的工艺要求，保护其他用电设备正常工作的需要，应当在电动机启动过程中采取必要的措施控制其启动过程，降低启动电流冲击和转矩冲击。所以必须使用启动辅助装置。传统的启动辅助装置有定子串电阻启动装置，定子串电抗器启动装置，转子串电阻启动（针对绕线电动机）装置，星三角启动器，磁控式启动器，自藕变压器等。但传统的启动辅助装置，要么启动电流和机械冲击仍过大，要么庞大笨重。随着电力电子技术和微机技术，现代控制的发展，出现了一些新型的启动装置。随之出现了软启动技术。其中晶闸管软启动最为主流。随着我国经济快速增长，科学技术的日新月异，智能控制系统得到了越来越广泛的应用，也提出了更高的要求。作为重要驱动执行机构的电动机来说，它的控制方式受到广泛技术人员的高度重视。而现代晶闸管电动机软启动器通常都由微型计算机作为其控制核心，因此可以方便地满足技术进步的要求，所以，电动机软启动正得到越来越广泛应用。1.5 论文的主要工作本课题从实际应用出发，通过对传统启动方式和软启动技术在异步电机控制中的分析比较，对系统的组成原理、电路结构、控制策略及优化节电控制技术的应用进行研究分析。主要工作如下：(1) 广泛阅读了电机启动相关书籍和文献资料，分析并整理有关资料。(2) 学习了MatLab软件应用于电机仿真的方法。(3) 研究并总结软启动的原理与方案。(4) 研究并总结三相异步电动机的传统启动方案。(5) 利用MATLAB进行仿真验证。(6) 撰写毕业设计说明书。2 三相异步电动机及其软起动控制研究2.1 三相异步电动机原理三相异步电动机的种类很多，但各类三相异步电动机的基本结构是相同的，它们都由定子和转子这两大基本部分组成，在定子和转子之间具有一定的气隙。此外，还有端盖、轴承、接线盒、吊环等其他附件。定子是用来产生旋转磁场的。三相电动机的定子一般由外壳、定子铁心、定子绕组等部分组成。 当向三相定子绕组中通过入对称的三相交流电时，就产生了一个以同步转速沿定子和转子内圆空间作顺时针方向旋转的旋转磁场。由于旋转磁场以转速旋转，转子导体开始时是静止的，故转子导体将切割定子旋转磁场而产生感应电动势（感应电动势的方向用右手定则判定）。由于导子导体两端被短路环短接，在感应电动势的作用下，转子导体中将产生与感应电动势方向基本一致的感生电流。转子的载流导体在定子磁场中受到电磁力的作用（力的方向用左手定则判定）。电磁力对转子轴产生电磁转矩，驱动转子沿着旋转磁场方向旋转9。2.2 软起动的基本原理从异步电动机的T型等效电路可以知道，异步电动机的定子电流公式为：II=可以看出，减小启动电流可以从以下几个方面入手：(1) 改变定子电压U。(2) 改变转差率S。(3) 改变定子侧电阻R。(4) 改变定子侧电抗X。(5) 改变转子侧电阻R。(6) 改变转子侧电抗X。改变以上几种参量来减小电动机的启动电流达到软启动要求的效果。2.3 电力电子软启动电力电子软启动种类繁多在这里主要介绍最主流的晶闸管软起动当然现代工业发展变频软启动也用的比较多但是其经济费用高在此也不做介绍。晶闸管软启动是指运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压的起动方法，其特点有：(1) 减少起动过程引起的电网电压降使之不影响同一供电网其它电气设备的正常运行。(2) 对电动机提供平滑的起动过程，降低电机起动过程中线路的冲击电流，减少电动机（传动机械）的冲击电流及对电网和配电系统的冲击，延长电动机（传动机械）使用寿命减少电磁干扰：硬起动产生的冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行。(3) 具有多台电动机控制功能，用一台起动器控制多台电动机的起动，起动电流、起动时间可分别设置；多种起动模式：电压斜坡起动、限流起动、脉冲突跳起动，具有软停车功能。(4) 具有完善的保护功能：过载保护、断相保护、过压和欠压保护等。在电源和异步电动机之间接入反并联的晶闸管(与双向晶闸管等效)调压电路。通过改变晶闸管的触发角来改变电动机定子两端电压，进而改变电机的转速和定子电流等物理量。晶闸管控制方式为相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来达到调压的目的10。2.3.1 晶闸管调压电路原理在交流供电电源和电动机之间接入晶闸管调压电路，就可以通过改变晶闸管的导通角来达到改变电动机两端电压的目的。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，即相当于把晶闸管当作静止接触器，交替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。当斩波调压用在电动机定子上时，通断交替的频率不能太低，否则一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电动机就相当于一次感应电动机重新合闸过程。当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，且随着转子而旋转，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，达到加载在电动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，因此在感应电动机调压控制中，晶闸管电路调压一般都用相控技术11。常用软起动系统采用晶闸管电路调压原理，通过相控调压的方式调节电动机定子端电压的大小来实现软起动器的各种功能。主电路接用三个双向并联晶闸管分别串联在Y接法的电动机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。其主电路如图2.1所示。图2.1 电动机软启动主电路图三路触发和六路触发方法根据触发电路的拓扑结构，触发方法又分为三路触发和六路触发两种拓扑结构。若每一相的两个反并联的晶闸管共用一组触发脉冲，则称之为三路触发方法；此时，虽然对于每个晶闸管有两个触发脉冲，但与其反并联的晶闸管的触发脉冲出现在它的负半周，因而不产生作用。反之，若6个晶闸管中的每一个都有各自独立的一组触发脉冲，则称之为六路触发方法。任何晶闸管要求其最小触发脉冲的宽度取决于它的电流上升速度，即在脉冲存在的时间内，电流要达到它的擎住电流，否则它不能可靠地导通。在可控整流电路中电流的上升速度只受到换流电感的制约，而在交流调压电路中，它只受负载电感的制约，后者远大于前者，因此交流调压电路中要求较宽的触发脉冲。三路触发方法电路实现简单，因此可以节省硬件资源：但六路触发方法可以减少晶闸管控制极的损耗，从触发的逻辑上也更清楚明了。更重要的是后者可以杜绝正向(负向)触发脉冲对负向(正向)晶闸管的误触发，提高了可靠性。一般来说采用两种方法都可以使得电路工作正常，但是在某些特殊的情况下采用六路触发可以使得电路更为可靠地工作12。2.4 软起动的主要控制方法研究2.4.1 电压斜坡启动方式电压斜坡启动方式是一种开环控制方式，是软启动器最早的启动方式，这种控制方式，系统中没有闭环调节环节。电流采样环只用来做晶闸管过电流保护作用，而电压采样环节仅采样电源电压过零点，以提供移相触发的同步基准。它的电压按一个预先设定好的曲线变化，其斜率由斜坡上升时间决定。另外，当启动之初电压低于一定值时（一般为120V左右），电动机转矩小于负载转矩，电动机并不能运行，反而使电机发热，因此，电压斜坡控制方式下软启动器输出电压并不是由0开始上升，反而有一个电压U这个电压通常要根据负载特性设定成能使电动机运转的最小电压值。电压斜坡启动方式也可以设置成两个启动斜率，使电动机分段按不同电压上升斜率启动，以使负载适应性更强。启动开始后，软启动器输出电压快速升至U，然后按照预先设定好的曲线逐渐升压，于此对应的电流I也被设定在I范围内，这是由于电流的电压积分。然后再斜坡电压作用下电动机电压逐步增加，经过给定的斜坡时间t，电压升至电源电压，整个启动过程完成，电动机电流也降至负载电流。初始转矩由U决定，增加U将加大初始转矩，降低U将减小初始转矩。T影响启动时间和启动转矩，增加t将延长电动机启动时间，减少t将缩短电动机启动时间；增加t将降低电动机启动转矩，同时降低启动电流，减小t将提高电动机启动转矩，同时提高启动电流。应注意，增加初始电压虽然可以增大启动转矩，但同时启动瞬间的冲击也会增大。增加启动时间虽可以降低启动电流，但启动时间过长将可能引起电动机发热。另外，斜坡启动时间也并不是电动机完成启动过程的真实时间，而是软启动器输出电压从U升到电源电压的时间，电动机完成启动过程的时间还同负载情况有关。电压斜坡启动方式作为一种开环控制方式，它的启动效果受到负载和电源变化影响较大，因此无法准确地获得希望的启动效果，往往需要反复调试才能达到比较满意的启动效果13。2.4.2 电压突跳控制方式电压突跳控制方式，也称为转矩突跳控制方式。这项控制方式只是其他控制方式的一种扩展或附加功能。它不能独立使用，必须同其他控制方式复合使用。例如同电压斜坡启动方式复合使用，够成“电压斜坡加突跳转矩” 控制方式。这种控制方式是在电压斜坡启动方式中的电压曲线叠加了一个短时脉冲电压。该参数决定了施加突跳电压的持续时间由突跳时间决定，施加突跳电压的幅值由突跳电压决定。有一些负载，在静止状态下有比较大的静阻力矩，在电动机启动初始需要很大的转矩使电动机转起来，当电动机一旦转起来，阻力反而小了。对于这类负载，如采用电压斜坡控制方式，则需要设置很大的初始电压，这样，启动转矩将很大，同时，整个启动过程电流也会比较大。针对这种负载，在电压斜坡启动的初始阶段，可以加上一个短时的高电压U(其值和时间可以设置)以克服初始较大的静摩擦转矩，使负载机械开始盘车，经过短暂的时间后，电压波形在降到初始电压，之后，按照电压斜坡曲线完成后面的启动过程，这样，大电流持续的时间比较短，相对来说对电网的影响也相应比较小，这就是电压跳突启动方式。由于电压跳突控制方式的特点，决定了启动之初电流，转矩的冲击是怒可避免的，因此，这种模式只能在特定场合使用，同时，对于突跳电压和突跳时间应加以限制以免过大的冲击。2.4.3 电流限幅控制方式这种控制方式，系统中增加了一个闭环电流调节环节。电流采样环节不仅用来做晶闸管过电流保护而且还参与了电流的闭环调节，而电压采样环节仅采样电源电压锅零点，以供移相触发的同步基准。电流限幅控制方式作为一种闭环控制方式，启动过程中可以不断地采样和调整软启动器输出电流，电动机启动电流和启动转矩由电流限幅值I决定。启动开始后，软启动器输出电流由0快速升至I，然后保持这个电流，电动机在驱动转矩的推动下逐渐加速，直至达到额定转速，启动结束，电动机电流也降至负载电流I，此时，软启动器输出电压迅速上升至电源电压。启动转矩由I决定，增加I将加大启动转矩，同时提高启动电流。降低I将减小启动转矩，同时降低启动电流。电流限幅启动方式作为一种闭环控制方式，它的启动效果比电压斜坡启动方式提高了一步，受到负载和电源变化的影响较小，启动特性的稳定性极大地提高。这种启动方式，控制量只有一个I，这个控制量的设置同电网容量，负载工艺有关。一般来说，如果负载习惯量较小，工艺允许冲击，则I可以设置得大一点，这样电机启动较快，电动机发热较小，也可以提高工作效率；如果电网容量较小，则I可以设置得小一点，这样电动机启动过程中对电网的影响较小，电网压降也较小。电流限幅启动方式特别适用于恒转矩负载，它可以设置电流上限，在电网容量有限的场合使电动机以最小的启动电流快速启动。电流限幅控制实际有两种控制方案，除了上述直接限制电流的控制方案外，还有通过电压限制电流的控制方案。相对于不同的负载情况，各有优点。由于软启动器控制只有一个自由度，也即只能调节电压，因此，通过电压限制来限制启动电流也是可行的。当电压被限制在某一值U时，电流将被限制在I内，直至将电动机启动至额定转速后，电流开始下降至负载电流I。由于电流限制通过电压限制实现，电流随时间变化的波形比较圆滑，也即电流充满系数低。这样从电磁，转矩能力关系看，显然启动时间相比较与直接利用电流限制要长。电压控制方式适用于轻载启动的场合，这种控制方式通过键盘设定“允许电压降百分比”。软启动器自动测量实际电压降并限制电压降得值，通过测量压降值以控制启动电流。对于控制方式在保证启动压降的情况下，发挥电动机的最大启动转矩，尽可能地缩短了启动时间，是较好的轻载启动方式。同电压斜坡控制方式一样，电流限幅控制方式也可以和电压突跳启动控制方式复合使用，构成电流限幅电压突跳启动控制方式14。2.4.4 电流斜坡控制方式电流斜坡启动方式是电流限幅控制方式的一种扩展。启动开始后，软启动器输出电流按照预先设置得斜率由0逐渐增大，于此同时，电动机驱动转矩也逐渐增大，直至电流上升到电流限幅I，然后软启动器保持这个电流，在这个过程中电动机在驱动转矩的推动下逐渐加速，直至到达额定转速，启动结束，电动机电流也降至负载电流I，此时软启动器输出电压迅速升高直至到达电源电压。电流斜坡启动方式作为电流限幅控制方式的扩展，是软启动控制的有益补充。电流斜坡启动方式适用于要求电流上升比较平滑的大惯性负载，特别是风机，泵类负载，这类负载具有平方转矩特性，负载转矩同负载转速的平方成正比。这类负载，启动初始所需的转矩比较小，而随着转速的提高，所需转矩近似平方关系增加。对于大惯性的平方转矩负载，如果直接采用电流限幅，则由于负载惯量大，其后果是虽然快速升高到了电流限幅值，驱动转矩也相应比较大，但启动时间并未短。与之相应的转矩冲击却较大，整个启动过程电流曲线包络面积很大，电动机绕组的发热量也相应很大，有时会因过载保护而导致启动失败。采用电流斜坡控制方式可以使驱动转矩曲线更好地拟合负载转矩曲线，使负载电动机近似恒加速启动。这样既满足了负载转矩的需要，又不会引起转矩冲击，同时，整个启动过程中，电动机电流曲线所包络的面积也比较小，相应的电动机发热也比较小。另外，这种控制方式如各参数调整的比较好，其启动效果可接近后面将要论述的“转矩控制”效果。电流斜坡的斜率同电压斜坡控制一样，也可以设置成多段加速斜率，也可以加突跳控制。2.4.5 转速闭环控制方式转速闭环控制方式实际上是转速电流双闭环控制方式，这种控制方式已不是新鲜事了，它早已被应用于晶闸管交流调压调速系统中，目的是为了提高晶闸管交流调压调速系统的调速精度与运行的稳定性。在交流调速系统中，晶闸管交流调压调速系统属于一种比较原始的调速形式，其主要缺点是在低速运行时电动机的转差损耗大，使电动机发热严重，效率随之降低，所以仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行负载。随着变频器的出现，由于变频器的各项性能指标均大幅度超过它，因此这种系统逐渐被淘汰，退出了历史舞台，但是，晶闸管交流调压调速系统也有其他有点，如线路简单，调压装置体积小，价格低廉，适用维修方便，经久耐用。而当前，软启动器在工业领域的应用中，一些特殊应用场合，如对启动过程中的速度曲线要求比较严格的场合，或者对于启动时间要求比较严格的场合，恰好这种系统可以满足要求。同时，由于是应用于软启动中，因此，其固有的一些缺点也被弱化，变得可以接受了。2.4.6 转矩控制方式由于大型感应电动机在启动过程后期，功率因素变化很快经常超过同步转速，经过一个衰减振荡过程才能达到稳态运行点，电动机的负载转矩和转矩惯量越小就越容易发生振荡，这种现象称为“超标”。对于采用电流闭环控制方式的启动器，PI调节器的输出跟随电流的下降，反而会使输出更大，控制触发角迅速推进至全压，使得电动机输出转矩过冲，造成系统振荡。于是一些研究者开发出一些新的控制方法来克服着个问题，就出现了转矩控制和模糊控制等控制方式。转矩控制是通过转矩闭环控制来实现的，采用转矩PID控制来调节电磁转矩。转矩控制启动时，要求控制电动机启动时的电磁转矩按控制规律上升，PID调制环节一直投入系统运行，自动调节，使电动机能够平滑启动。给定值时根据所设定的转矩斜坡对应的转矩值，反馈值时根据电动机反馈的电压，电流的运算出的实时转矩值，对其进行PID控制，其输出量经过适当变换后，结合控制策略，产生于交流调压装置的触发角相对应的驱动脉冲。2.5 本章小结纵观软启动器控制技术的发展，大致经过三个阶段。早期的软启动器由于采用的是分立器件来控制，因此功能比较单一，控制方式也比较少，一般仅具有开环电压斜坡控制方式。随着技术的发展，闭环电压，电流控制方式出现，比较有代表性的是电流限幅，在此基础上又衍生出了电流斜坡，突跳转矩，电压斜坡加电流限幅等控制方式；另外在一些特殊场合转速闭环控制也有应用。第3阶段以闭环转矩控制为代表。3 基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究3.1 SIMULINK简介Simulink模型可以用来模拟线性和非线性、连续和离散或者两者的混合系统，也就是说它可以用来模拟几乎所有可能遇到动态系统。另外Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便的观察到仿真的整个过程。Simulink没有单独的语言，但是它提供了S函数规则。所谓的S函数可以是一个M函数文件、FORTRAN程序、C或C+语言程序等，通过特殊的语法规则使之能够被Simulink模型或模块调用。S函数使Simulink更加充实、完备，具有更强的处理能力。同Matlab一样，Simulink也不是封闭的，他允许用户可以很方便的定制自己的模块和模块库。同时Simulink也同样有比较完整的帮助系统，使用户可以随时找到对应模块的说明，便于应用。综上所述，Simulink就是一种开放性的，用来模拟线性或非线性的以及连续或离散的或者两者混合的动态系统的强有力的系统级仿真工具。目前，随着软件的升级换代，在软硬件的接口方面有了长足的进步，使用Simulink可以很方便地进行实时的信号控制和处理、信息通信以及DSP的处理。世界上许多知名的大公司已经使用Simulink作为他们产品设计和开发的强有力工具15。3.2 三相异步电动机的直接起动仿真3.2.1 仿真模型为了更直接的测取三相异步电动机起动过程中的起动电流和电磁转矩的变化规律，因此使用Simulink建立三相异步电动机直接起动仿真模型。此仿真由三相异步电动机模块，电源模块，断路器模块和测量模块等组成。用三个独立的单相电压源模块构成三相交流电压源。使用交流电压，电流测量模块，直接测量三相交流电路的电压和电流。用三相断路器控制三相电源的投入时间。(1) 电机测量模块电机类型选异步电动机，选择测量转子电流和电磁转矩，在运行后则会显示此两个输出端口。(2) 三相电压源测量模块选择电压源A，B，C三相都受控，电源电压峰值设定 220sqrt(2)，在3个单相交流电源的参数中，只有初始角不同，互差120度其他设置值为默认。(3) 终端模块将没有连接的输出端连接到终端模块可以避免产生警告信息。(4) 其他模块采用默认值具体的仿真模型如图3.1所示。图3.1 直接起动模型图仿真结果如图3.2，图3.3所示。图3.2 起动电流波形图图3.3 电磁转矩波形图由以上两组波形可以看出起动电流在0到0.4秒间很大，之后就趋于平稳。电磁转矩相对比较小但在起动电流平稳后会出现一个峰值。如此高的电磁转矩不但会对驱动电机产生冲击，而且也会使负载传动机械受到损害。 起动电流大会使电动机内部发热较多的情况。会导致容量小的电网电压大幅度下降使与启动电机使用同样电源的其他用电设备无法正常工作。有可能使供电系统过载，串联的开关跳闸。同时启动转矩不大会使电动机不能正常起动。3.3 三相异步电动机的软起动仿真电机软启动电路仿真由电源模块、电机模块、六脉冲触发模块、常量输入模块、有效测量模块、电压/流测量模块、示波器、晶闸管、回馈控制部分(由选路器、放大器、阶跃信号模块、增益模块、信号求和模块组成)组成。模块参数设定:(1) 电机模块：5HP。(2) 电源模块：“Peak amplitude”设置为220* sqrt。(3) 常量输入模块：设置为11. 87(电机转矩)。(4) 六脉冲触发模块：“Pulse width(degrees)”设置为1；“Frequency of synchronization voltages”设置为50。(5) 其它模块采用默认设置。设置仿真开始时间为0s，结束时间为0.5s，采用Ode45tb算法。仿真模型如图3.4所示。图3.4 软启动仿真图触发角计算是软启动控制中的关键。触发角计算子系统如图3.5所示。图3.5 触发角计算子系统图这是软启动仿真中的触发角计算的子模块，通过电流的反馈来计算触发角。反馈电流流入触发角模块通过比例积分计算得出反馈电流有效值，然后和实际电源电流有效值进行比较，得出差值电流，最后通过有效值计算出应该调整的实际触发角输出给触发角调整模块来控制触发角的大小。SIMULINK软启动结果如图3.6图，3.7所示。图3.6 起动电流波形图3.7 电磁转矩波形从图可知晶闸管软启动电动机的起动电流比较小在起动后0.5秒后趋于平稳，而转矩在0.3秒左右出现的峰值也比较小。所以软启动可以有效地降低电动机的启动电流，于直接启动相比其启动电流仅为标准电机硬启动电流的50%，软启动的限流特性可有效限制浪涌电采用软启动方式可大大减小启动电流，有效降低启动转矩，避免不必要的冲击力矩以及对配电网络的电流冲击。3.3 本章小结启动电流和启动转矩是体现异步电动机启动性能最重要的两个因素。因此在电机的启动过程中，如何降低起动电流，减小冲击成为电机启动控制的关键。电动机软启动器以大功率双向晶闸管构成交流调压电路，通过控制晶闸管的触发角来调节晶闸管调压电路的输出电压，很方便的实现了电动机的无触点降压软启动。软启动器从本质上解决了传统启动设备存在一些固有的缺点，具有传统启动方法无法比拟的优势。结束语三相交流异步电动机广泛地应用于电力拖动中。但其不足阻碍了其发展所以在电机的启动过程中，如何降低起动电流，减小冲击成为电机启动控制的关键。电动机软启动器以大功率双向晶闸管构成交流调压电路，通过控制晶闸管的触发角来调节晶闸管调压电路的输出电压，很方便的实现了电动机的无触点降压软启动。软启动器从本质上解决了传统启动设备存在一些固有的缺点，具有传统启动方法无法比拟的优势。Simulink模型可以用来模拟拟几乎所有可能遇到动态系统。所以本文采用了Simulink模型仿真了电动机的直接启动和晶闸管软启动来具体的分析两种的优缺点，更形象的了解晶闸管软启动如何降低起动电流 ，减小冲击。在此仿真中遇到了很多困难