基于Matlab/Simulink的滑模軟起動(dòng)器仿真研究

摘要：隨著電動(dòng)機(jī)的廣泛使用，對(duì)電機(jī)起動(dòng)的要求越來(lái)越高，對(duì)軟起動(dòng)裝置也使用越來(lái)越多?；＼浧饎?dòng)器幾種軟起動(dòng)方式的改變主要是通過(guò)對(duì)觸發(fā)脈沖導(dǎo)通角(alpha)不同計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)的，不需要對(duì)軟起動(dòng)裝置的硬件作大的改變，也不會(huì)增加硬件成本。提出了一種滑模軟起動(dòng)裝置，構(gòu)建了斜坡起動(dòng)、限流起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)和分級(jí)變頻起動(dòng)四種軟起動(dòng)模型。通過(guò)滑?？刂?，使軟起動(dòng)裝置能夠滿足在不同工作場(chǎng)合下電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)要求，進(jìn)而擴(kuò)大軟起動(dòng)裝置的使用范圍。在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)該軟起動(dòng)控制裝置進(jìn)行建模仿真。

　　關(guān)鍵詞：滑模;軟起動(dòng)器;Simulink;斜坡起動(dòng);限流起動(dòng);轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng);分級(jí)變頻起動(dòng)

　　0 引言

　　不同的電機(jī)軟起動(dòng)方式具有各異的特性。斜坡起動(dòng)、限流起動(dòng)解決電機(jī)起動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的過(guò)大沖擊電流，這種起動(dòng)方式適合于輕載電機(jī)起動(dòng);轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)、分級(jí)變頻起動(dòng)可以解決使用降壓起動(dòng)帶來(lái)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)小的問(wèn)題，適用于重載的電機(jī)起動(dòng)。構(gòu)建適應(yīng)不同工作場(chǎng)合需

　　要的電動(dòng)機(jī)滑模軟起動(dòng)控制器具有工程應(yīng)用價(jià)值?；＼浧饎?dòng)裝置集斜坡起動(dòng)、限流起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)、分級(jí)變頻起動(dòng)等方式于一體，通過(guò)改變對(duì)交流模塊輸入的晶閘管導(dǎo)通脈沖選擇電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)方式，進(jìn)而擴(kuò)大軟起動(dòng)裝置的使用范圍。本文在Matlab/Simulink環(huán)境下對(duì)滑模軟起動(dòng)進(jìn)行了建模仿真研究。

　　1 軟起動(dòng)器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1.1 仿真系統(tǒng)建模

　　在Mafiab/Simulink環(huán)境中，建立一個(gè)軟起動(dòng)器的模型，其綜合了斜坡軟起動(dòng)、限流軟起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)及分級(jí)變頻軟起動(dòng)這幾種軟起動(dòng)方式。并且使該軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)能夠讓用戶根據(jù)需要，選擇一種適合用于電機(jī)軟起動(dòng)的方式進(jìn)行起動(dòng)。圖1是基于Simulink的系統(tǒng)仿真框圖。在仿真系統(tǒng)中，主要包括了滑模軟起動(dòng)控制、交流調(diào)壓、電機(jī)和電氣測(cè)量模塊等單元。

　　滑模軟起動(dòng)控制模塊是由4個(gè)軟起動(dòng)子模塊(four soft start)和軟起動(dòng)方式滑模選擇模塊(switch subsystem)組成。輸入量有電機(jī)定子電流單相有效值RMS、電機(jī)A相輸入的電壓值Va與電流值Ia和同步電壓。

　　1.2 觸發(fā)脈沖子模塊

　　在整個(gè)系統(tǒng)中的晶閘管的觸發(fā)脈沖主要使用6脈沖發(fā)生器模塊來(lái)產(chǎn)生，并且能夠?qū)?脈沖進(jìn)行延遲，生成一組可控的6相脈沖波。產(chǎn)生的6相脈沖在4個(gè)軟起動(dòng)方式中都有使用。其中圖4是六脈沖發(fā)生器的子系統(tǒng)。

　　在6脈沖發(fā)生器模塊中，有兩個(gè)常量“Pwidth”和“freq”，“Pwidth”的值為6相觸發(fā)脈沖的寬度;“freq”為同步電壓頻率;從“alpha deg”輸入端輸入觸發(fā)角的值，可以是一組連續(xù)變量，通過(guò)對(duì)“alpha_deg”的值生成一組可控的晶閘管導(dǎo)通的6相脈沖;“block”是6脈沖發(fā)生器的鎖存端，輸入端為零時(shí)，模塊正常工作產(chǎn)生一組6相脈沖;當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，啟動(dòng)截止保護(hù)，這時(shí)脈沖將不再產(chǎn)生，晶閘管也就不能導(dǎo)通。

　　但是在6脈沖生成器模塊中，其脈沖生成是根據(jù)電源的同步電壓進(jìn)行計(jì)算，子系統(tǒng)中的頻率設(shè)置和同步電壓的頻率是保持一致的，生成的6相脈沖頻率不可改變。在分級(jí)變頻軟起動(dòng)模塊中，晶閘管的6相導(dǎo)由6相脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的一組基頻的脈沖波和一組低頻的脈沖進(jìn)行與運(yùn)算生成，這組脈沖是以低頻脈沖的頻率做為頻率，以基波脈寬作為脈沖寬度，并且可以通過(guò)“alpha deg”對(duì)脈沖進(jìn)行延遲。這樣生成一組低頻的導(dǎo)通角可控的低頻脈沖，滿足分級(jí)變頻軟起動(dòng)的脈沖要求。在圖5分級(jí)變頻脈沖合成模塊中，頻率分別為F/2、F/4、F/5、F/7的方波脈沖和6脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行與運(yùn)算，生成F/2、F/4、F/5、F/7頻率方波，并根據(jù)輸入的時(shí)間選擇各個(gè)分級(jí)頻率運(yùn)行時(shí)間，完成分級(jí)變頻軟起動(dòng)控制。

2 軟起動(dòng)控制方式

　　在軟起動(dòng)的仿真系統(tǒng)中，軟起動(dòng)模塊中有四種軟起動(dòng)方式的子模塊，分別是斜坡軟起動(dòng)、限流軟起動(dòng)、分級(jí)變頻軟起動(dòng)和轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)子模塊。四種軟起動(dòng)是通過(guò)對(duì)晶閘管的導(dǎo)通角(alpha)不同計(jì)算方法，產(chǎn)生相適應(yīng)的四種軟起動(dòng)方式的六脈沖，達(dá)到各自的軟起動(dòng)的目的。

　　2.1 斜坡軟起動(dòng)

　　斜坡式軟起動(dòng)是從初始角開(kāi)始以斜坡的方式增加電動(dòng)機(jī)上的電壓直到額定電壓的軟起動(dòng)方式。斜坡軟起動(dòng)的初始角可以根據(jù)情況進(jìn)行設(shè)置，起動(dòng)時(shí)間也可以由用戶調(diào)節(jié)。圖6是斜坡軟啟動(dòng)alpha角計(jì)算的子模塊。“uini”是軟起動(dòng)的初始角，“uincr”是軟起動(dòng)的斜坡增長(zhǎng)的斜率控制。

　　斜坡電壓軟起動(dòng)是一種常見(jiàn)軟起動(dòng)方式，這種起動(dòng)方式的起動(dòng)時(shí)間比直接起動(dòng)長(zhǎng)，起動(dòng)電流比直接起動(dòng)小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高，容易實(shí)現(xiàn)。

　　2.2 限流起動(dòng)

　　限流起動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值。這種起動(dòng)方法主要用在輕載起動(dòng)的降壓起動(dòng)，其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限制，然后在保持輸出電流小于電流設(shè)定值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。圖7是基于Matlab/Simulink搭建的限流軟啟動(dòng)alpha計(jì)算子模塊，alpha計(jì)算是在電流的閉環(huán)控制使用模糊控制器計(jì)算alpha角，調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓。

　　限流軟起動(dòng)采用電流反饋的閉環(huán)模糊控制調(diào)節(jié)，可以快速、準(zhǔn)確地觸發(fā)晶閘管，避免大電流的沖擊，很好地限制起動(dòng)電流。

　　轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)是控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，并根據(jù)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩變化計(jì)算晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)而控制電機(jī)的輸入電壓，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足電動(dòng)機(jī)使用要求。圖8是轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)alpha角計(jì)算子模塊。

　　轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑、柔性好，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的負(fù)載起動(dòng)方式。

　　2.4 分級(jí)變頻軟起動(dòng)

　　分級(jí)變頻(離散頻率法)就是使傳統(tǒng)軟起動(dòng)器輸出電壓的頻率從一個(gè)較低的值開(kāi)始，分級(jí)上升，最后達(dá)到50Hz。分級(jí)變頻雖然可以實(shí)現(xiàn)變頻，但不能使頻率連續(xù)地變化，只能使頻率分級(jí)變化，而且各級(jí)頻率都是50Hz的n分之一(即50Hz的分頻)，實(shí)現(xiàn)較高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。圖9是分級(jí)變頻軟起動(dòng)導(dǎo)通角alpha的計(jì)算子模塊。在低頻起動(dòng)過(guò)程中，為保持電機(jī)的主磁通不變，要相應(yīng)地降低定子電壓，通過(guò)計(jì)算得到電機(jī)在F/2、F/4、F/5、F/7的導(dǎo)通角alpha的大小，在頻率達(dá)到50Hz后，導(dǎo)通角緩慢減小到0，使電動(dòng)機(jī)上的電壓達(dá)到額定電壓，完成軟起動(dòng)。

　　分級(jí)變頻起動(dòng)能有效提高電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可使電動(dòng)機(jī)在重負(fù)載的情況下平滑起動(dòng)。

　　3 仿真結(jié)果分析

　　在matlab/simulink仿真環(huán)境中，通過(guò)對(duì)圖1中軟起動(dòng)方式的選擇，對(duì)斜坡控制、限流控制、轉(zhuǎn)矩控制和分級(jí)變頻控制進(jìn)行仿真。分別得到四種軟起動(dòng)的定子有效電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形圖。

　　電機(jī)參數(shù)為10kW、220V、50Hz，極對(duì)數(shù)為2，定、轉(zhuǎn)子端的標(biāo)么值參數(shù)分別為：Rs=0.0401Ω;Rr=0.0377Ω;Ls=Lr=1.0349Ω。

　　通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析可以到處結(jié)論：斜坡起動(dòng)是一種開(kāi)環(huán)的起動(dòng)控制方式，能夠降低電機(jī)的起動(dòng)電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高，操作簡(jiǎn)單;限流軟起動(dòng)是采用電流的閉環(huán)控制，能夠很好地限制電機(jī)的起動(dòng)電流，但是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高;轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)轉(zhuǎn)矩能夠平滑地上升，降低轉(zhuǎn)矩突變給拖動(dòng)系統(tǒng)造成的影響，是很好的負(fù)載起動(dòng);分級(jí)變頻起動(dòng)能夠限制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，是一種有效的高轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方法，適用于大負(fù)載的電機(jī)起動(dòng)。

　　4 結(jié)論

　　滑模軟起動(dòng)器是綜合了多種軟起動(dòng)方式的軟起動(dòng)裝置，通過(guò)滑模控制對(duì)軟起動(dòng)方式進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)多種軟起動(dòng)，擴(kuò)大了軟起動(dòng)裝置的應(yīng)用范圍，提高了軟起動(dòng)裝置的實(shí)用性，具有很大實(shí)用價(jià)值。