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摘要：用混合变量改进方法建立感应电机模型，通过控制单元在主电路拓扑的变化下，采用双向晶闸管控制高压电机软启动。该过程利用Matlab/Simulink仿真模拟电机启动时定子电流和转矩变化情况，整个操作控制精确，效果明显，对实际应用有较大的参考价值。
关键词：感应电机；软启动；仿真；控制电路；参数设置
Electronic Soft StartUp Process of Induction Motors
JIA Guorong1, ZHANG Fang2
(1.Department of Computer Science and Technology,Guizhou Commercial College, Guiyang 550004, China;
2.School of Electronic Information,Zhanjiang Normal College, Zhanjiang 524 022, China)
Abstract: This paper proposes an improved induction motor model using hybrid variable meth od.With the change of main circuit topology due to the control cell,the high vol tage startup process is controlled by the bidirectional thyristor.The current and torque of stator at the motor starting is simulated by Matlab/Simulink.The p roposed method has great reference value in practice application for its precise control and evident effect.
Key words: induction motor; soft startup; simulation; cont rollable circuit; parameter setting
1前言
中大功率电动机直接启动电流大，在配电系统产生较大压降，影响同母线连接的设备运行，尤其是过大启动转矩对电机及传动机械产生巨大的冲击，加速电机的老化及机械的损坏。软启动能抑制电动机启动电流,在限定时间内将它驱动到额定转速。软启动装置兼有若干保护功能，当短路、过载、启动超时、欠电压和系统异常等故障出现时，该装置能做出相应防护并发出警示信号［1］。
软启动装置在启动时，可以采用限流和限压两种方式。限流启动时输出电流从零迅速增加，直到其达到设定电流幅值，启动过程保证输出电流不大于该值，电压逐渐上升，最后达到稳定状态。限压启动模式根据负载情况和工艺要求进行U0（保证一定启动转矩可正常启动负载）和上升时间t设定，启动过程按设定曲线控制输出电压到额定值UN，从而获得满意启动特性。如果能够离线获得软启动过程的动特性，将对软启动器的选型、启动参数设定，有一定指导意义。
软启动过程以计算机为工具，利用Matlab/Simulink软件，通过建立输入电动机、电网和负载数学模型，根据选定控制策略作出离线模拟。软启动离线仿真研究可以预知在硬启动过程中电机转速、电流、线电压和其他机械特性，对产品设计和用户使用有重要的指导作用。
虽然通用逆变器兼有软启动功能，但其装置复杂，造价昂贵［2］，对仅需软启动而不需调速的设备使用变频器可谓大材小用。电子式（晶闸管式）感应电机软启动器采用微处理器和晶闸管电子元件组成启动器控制。启动器开启时，微处理器发出脉冲加到晶闸管触发极上，采用相控的方式控制晶闸管导通角，输出电流电压大小由触发脉冲宽度决定。缓慢调节微处理器，控制晶闸管输出电压由零缓慢升至全压，此时，电动机转速也由零升至额定转速。当发出停机指令后，微处理器监测电压、电流和电动机反馈信号，通过控制晶闸管可使输出电压按一定要求下降，当输入电压过零时，流过管子电流小于维持电流而自然关断，使机端电压由全压逐渐降为零而实现软停止［3］。
实际应用中，软启动具有如下优点：(1)启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动、频繁启动和软停止；(2)在起停时过渡自然，不易伤害设备，节电效果良好；(3)当多台同容量电机工作时，可采用一台电子式软启动器轮流启动，操作方便。
2 感应电机模型
图1和图2分别是电机在静态时基频和谐波等效电路，它们用来预测电机的启动。 （图片） （图片） 基频等效电路中：
r1和l1——定子电阻和漏感；
r2和l2——转子电阻和漏感；
rM——铁损电阻；
lM——励磁电感。
谐波等效电路中：
r1k和l1k——k次谐波的定子电阻和漏感；
r2k和l2k——k次谐波的转子电阻和漏感。
由于转子铜条的集肤效应，转子参数r2，l2，r2k和l2k与频率有关，一般交流感应电机在工频下工作。但启动时由于采用相控调压，会产生一定谐波，r2k和l 2k的值应和谐波频率kf对应（f为启动频率，k为谐波系数），铁损等效电阻与之有关，但电动机漏感对谐波有抑制作用。由于启动时间很短，一般启动过程可忽略谐波影响。数字仿真中，定子电压由电机和负荷网络一起决定。软启动过程中，感应电机和三对可控晶闸管相连接，负荷网络拓扑根据开关关系改变，从而影响系统等式。在Matlab模块中，感应电机模型用磁链表示变化关系，两个定子电压作为输入而不能改变。考虑仿真速度，不用大电阻模拟可控晶闸管关闭状态，而是改变定子电压等式，用定子参考结构和定子相电流作为关系变量来处理负荷网络拓扑变化。
图2谐波等效电路dq坐标下转子电压等式为（图片） 式中：
Lsl——定子漏感；
Lrl——转子漏感；
Ldm——d轴励磁电感；
Lqm——q轴励磁电感。
其中Lsl和Lrl与磁饱和无关，而Ldm和Lqm与磁饱和相关，受到磁饱和因数ΨD和ΨQ决定，有（图片） 3 电路结构
3.1系统框图
电子式感应电机软启动框图如图3示。信号采集及对应的处理电路采集同步信号作为相角移 动控制基础参考，确保信号正确触发；信号感应电路对信号发生反应，如电流和功率因数角等，为启动控制和保护控制提供必要信息；启动控制电路为软启动选择合适控制策略；保护控制电路对过压、过流等进行监控，确保电机安全运行；相角移动控制电路产生脉冲，控制触发角时刻和大小。
3.2 感应电机软启动主电路
软启动器是从速度控制装置得到，其主电路如图4，三对可控晶闸管形成固态三相电压调节器，通过控制晶闸管触发角灵活控制电机启动过程［2］。
3.3 控制电路模型
控制电路模型是由4个控制子系统构成。每个子系统直接由仿真模块建立。在交流电路模块控制角开始时，每相电压为零，同步信号应从电源相电压信号获得。
根据同步脉冲产生原理，可由普通仿真模块组成脉冲发生器模型。采用6同步脉冲发生器，电机启动电流值可从应用RMS模块获得。软启动过程关键要限制启动电流，当电压逐步升高直到接近给定限制电流时保持电压不变［4］。（图片） （图片） 4 软启动仿真
4.1感应电机软启动系统
图5为系统仿真电路图，其中三相电源由三个单相电源组成。系统采用鼠笼式感应电机，恒定转矩设定11.87N·m。异步电机测量系统可以测出很多参数，如定子、转子电流，电压等。同步信号采集器将UA，UB，UC三个相电压转化成UAB，UBC，UCA三个线电压输入脉冲发生器。脉冲发生器产生宽脉冲触发三对双向晶闸管来控制机端电压。输入顺序如图所示，触发控制器根据定子电流反馈来控制脉冲发生器触发角［5］。（图片） 4.2 参数设置
三相电源，每一相电源电压为380V，频率为50Hz，第一个单向电源的相角为0°，第二个单向电源的相角为120°，第三个单向电源的相角为－12 0°；电机的视在功率746VA，线间电压为380V，频率50Hz，其它参数为默认值；触发系统频率50Hz；仿真时间3s。
4.3 结果分析
设置参数后，单击运行可进行离线仿真，双击显示器可查看参数曲线。图6为直接启动时定子电流和转矩曲线，可知系统启动瞬时，产生较大的冲击量（其中电流约为稳定时的10倍，电压为15倍），过程变化突然，在0.2s后趋于平稳。图7为电子式软启动下的情形（电流约为稳定时的2倍，转矩为5倍），定子电流和转矩在启动瞬时冲击明显减弱，变化趋于平缓，约0.5s后达到稳定值，有利于系统稳定和设备保护。（图片） （图片） （图片） 整个过程和实际试验数据（如表1）比较接近。从两种启动过程的数据和波形比较可知，该方式效果很明显，可以实现低速控制、准确停车和缓停，启动电流冲击较小，曲线平滑［6］。但在刚启动时，由于低导通角，启动器会产生一定高次谐波，不适合高静摩擦负载场合，晶闸管在关断时必须加辅助换流电路，驱动相对较复杂。
5 结语
以计算机为工具，在已知输入电动机、电网和负载数学模型基础上，根据选定控制策略做出 电子式软启动电机启动过程离线模拟具有实际意义。本文通过设计系统框图和仿真模拟电路，得到软启动下电机定子电流和转矩的变化曲线，较好地改善了直接启动所带来的巨大冲击。软启动器一次性投入不多，使用方便，性价比较高，目前在中等容量电机中得到广泛应用。
参考文献
［1］张宜华(Zhang Yihua).精通MATLAB 5.0(Proficient in MATLAB 5.0)［M］. 北京：清华大学出版社(Beijing:Tsinghua University Press) ,1999.6:21-200
［2］贾贵玺，周 迪，张 方(Jia Guixi,Zhou Di,Zhang Fang).改进型PWM调制多电平逆变器研究(Research for multilevel inverter with an improved PWM method) ［J］.电力系统及其自动化学报(Proceedings of the CSUEPSA).2004,16(3)：32-35
［3］角铁民(Jiao Tiemin).单片机控制的异步电动节能启动器(Asynchronous motor energysaving starter controlled by singlechip computer)［J］.河北工学院学报(Journal of Hebei Institute of Technology)1993,22(1):62-68
［4］江 和(Jiang He).软启动器技术的现状与展望(Present status and perspective of soft starter technology)［J］.上海电器技术(Electrical Technique of Shanghai),2003,29(1):22-25
［5］海 涛(Hai Tao).80C196KC单片机在软启动电容柜中的应用(The application of 80C196KC.singlechip computer in the softstarting capacitor frame)［J］.广西大学学报(Journal of Guangxi University),1997,22(3):251-255
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10/9/2005
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