1 引言
三相異步電機直接起動時會產(chǎn)生很大的危害。本文采用三相反并聯(lián)晶閘管控制導通電壓來實現(xiàn)電機的軟啟動。但要使電機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)角又與電機轉(zhuǎn)速相關(guān)，在電機起動過程中，電機轉(zhuǎn)速的不斷變化，會導致功率因數(shù)角的變化。因此，本文提出將模糊控制應用于中壓異步電動機軟啟動器的控制中，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)角時變引起的電流振蕩問題
根據(jù)三相異步電動機t型電路進行等效，電機的功率因數(shù)角為相電壓與相電流的相位差，它等于電機單相阻抗z的阻抗角，
。當電機參數(shù)已知時，阻抗z為給定的電機，在給定的頻率下其同步轉(zhuǎn)速ns是固定的。
由n=ns(1-s)及上式可得電機的功率因數(shù)角θ與電機轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關(guān)系θ=f(n)，即可得出某4極三相電機函數(shù)關(guān)系曲線如圖1所示。
圖1 4極三相電機函數(shù)關(guān)系曲線
從圖1可以看到，在電機起動過程中，電機的功率因數(shù)角θ變化非常大：電機由靜止狀態(tài)開始，隨著電機轉(zhuǎn)速n的上升，θ角逐漸減小，當電機轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時，θ角達到最小值，如圖1中第1 段曲線所示；當電機處于輕載運行狀態(tài)下時，其轉(zhuǎn)速可以進一步提升，此時，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的續(xù)流作用，而電機續(xù)流角的變化規(guī)律決定于其功率因數(shù)角，且該續(xù)流角便于實際測量。
考慮晶閘管調(diào)壓型軟起動控制器的一相電路，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，
為實際導通角。晶閘管的輸出電壓有效值應為：
在電機軟起動過程中，電機的端口電壓是逐漸提高的，其電壓大小取決于晶閘管的實際導通角，而又取決于α和θ的大小，而由圖1 知在啟動過程中θ又隨著電機的轉(zhuǎn)速不斷變化，如果升壓過程中α沒有及時變化，而θ變小，則會出現(xiàn)實際有效電壓下降，此時必然會引起電機轉(zhuǎn)速下降，而功率因數(shù)角θ隨之變大，則實際導通角又會增大，實際電壓增大，轉(zhuǎn)速升高θ又會變小，如此往復就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩振蕩，同時電流表現(xiàn)為電流震蕩，電機啟動不起來，會出現(xiàn)嚴重的后果。這也是本文要解決的問題。
3 系統(tǒng)的構(gòu)成及原理
目前，國外的軟啟動器主要時采用串聯(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機的定子回路中，而低壓繞組與晶閘管相連。低壓繞組的晶閘管導通以前，變壓器工作在空載狀態(tài)，變壓器的勵磁阻抗很大，所以電網(wǎng)電壓基本上都降在三相開關(guān)變壓器上，電動機不能起動。起動時，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，進而可以改變高壓繞組的電壓而達到連續(xù)改變電機端電壓的目的，這樣可以實現(xiàn)電機的軟起動。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器
3.1 基于模糊的控制器
恒流軟啟動最大的障礙，就是避免進入轉(zhuǎn)矩和電流振蕩。通常采用閉環(huán)的pid控制實現(xiàn)異步電動機的恒流軟起動。交流電動機是高階、非線性、強耦合的被控對象，所以普通的pid控制難以達到理想的控制效果，從而容易造成在輕載起動過程中發(fā)生轉(zhuǎn)矩和電流的振蕩。模糊控制不依賴于精確的數(shù)學模型，而且集結(jié)了有經(jīng)驗的專家的多年的控制經(jīng)驗，因而可以實現(xiàn)較理想的控制。其原理圖如圖4所示。
圖4 控制原理圖
選取起動電流偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入量，e和ec均為精確的輸入值，要采用模糊控制技術(shù)就必須把它們轉(zhuǎn)換成模糊集合的隸屬函數(shù)。
把e的變化范圍設(shè)定為[-6，6]區(qū)間連續(xù)變化量，使之離散化，構(gòu)成含13個整數(shù)元素的離散集合：{-6，-5， -4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。e是在[0，ist]之間，通過變換：e=12/ist[x-(0+ist)/2]，將在[0，ist]之間變化的變量x轉(zhuǎn)換為在[-6，6]之間變化的變量e。同理，可將die/dt 的區(qū)間[0，20a/s]轉(zhuǎn)換為[-6，6]之間變化的量c；δu的區(qū)間[0，0.1]轉(zhuǎn)換為[-6，6]之間變化的量。然后取加權(quán)平均系數(shù)β=0.9， 根據(jù)：δu=βe+(1-β)ec即可得到e和ec一一對應的模糊規(guī)則表。
在實際運行中，通過上述轉(zhuǎn)換后通過查表得到δu的模糊值，然后根據(jù)反模糊規(guī)則δu=uk×0.1/12+0.5，從而得到實際的輸出電壓u的值，通過移相觸發(fā)確定觸發(fā)角α。最后當啟動完成后，bang-bang控制，關(guān)閉開關(guān)變壓器的開關(guān)。
4 試驗及結(jié)論
根據(jù)上述設(shè)計方案，進行了試驗，被控對象為1140v/85a的感應電動機，其額定轉(zhuǎn)速為970r/min。采用恒流軟起動控制方案時的電流電壓波形由圖可見，圖5為直接啟動時的電流曲線，空間啟動沖擊較大；圖6為1.5倍額定電流啟動電流電壓曲線，電壓上升平穩(wěn)，電流基本無沖擊，效果比較理想。比較好的解決了轉(zhuǎn)矩振蕩引起的電流振蕩問題。
圖5 直接啟動的電流曲線
圖6 1.5倍額定電流啟動的電流電壓曲線
5 結(jié)束語
本文首先分析了在電機啟動過程中的功率因數(shù)角變化的問題，并把它作為一個參量考慮到變電壓軟啟動中經(jīng)常出現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩震蕩和電流振蕩問題。采用模糊控制算法，吸取專家經(jīng)驗，閉環(huán)反饋電流，有效的解決了恒流軟啟動中的振蕩問題，得到了較理想的控制效果。
作者簡介
牛培峰(1958-) 男 博士生導師，從事復雜工業(yè)系統(tǒng)的智能建模與智能控制、控制系統(tǒng)智能故障診斷研究。
張現(xiàn)平(1983-) 男 碩士研究生，從事嵌入式和電機控制研究。
參考文獻
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[4] 岳云濤，韓永萍，王聰. 一種基于模糊pd 控制的新型中壓軟起動器. 中小型電機，2005
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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