姜 靜，史 蕓

（1. 青島工學(xué)院，青島 266300；2. 青島濱海學(xué)院，青島 266555 ）

0 引言

籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是由于在啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流（一般為額定電流的5～7倍），降低了設(shè)備的使用壽命，同時(shí)過(guò)大的電流也會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。目前，許多商用軟起動(dòng)器采用晶閘管交流調(diào)壓器原理[1]，其工作原理和控制框圖如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，可實(shí)現(xiàn)小起動(dòng)電流平滑起動(dòng)；缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，不適合重載起動(dòng)。因此，晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器通常用于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小的中、大功率的風(fēng)機(jī)、水泵類(lèi)平方律負(fù)載的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中。

MATLAB是工程研發(fā)過(guò)程中普遍應(yīng)用的一個(gè)商用軟件[2,3]，其功能十分強(qiáng)大，雖然不能替代實(shí)際的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試過(guò)程，但合理應(yīng)用它，可以大大節(jié)約實(shí)驗(yàn)所耗費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用。特別是，它常常被用來(lái)進(jìn)行各種設(shè)計(jì)方案的可行性驗(yàn)證以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程中對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行計(jì)算選擇。

圖1 感應(yīng)電機(jī)軟啟動(dòng)器框圖

本文提出的晶閘管軟起動(dòng)器MATLAB模型適用于圖1所示的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程的分析。

1 軟起動(dòng)器的仿真模型

圖2 異步電機(jī)軟啟動(dòng)仿真模型

MATLAB仿真模型如圖2所示。主要由電動(dòng)機(jī)、電機(jī)測(cè)量部分、晶閘管調(diào)壓器模塊、相移觸發(fā)器模塊和控制電路模塊組成。

3相晶閘管交流調(diào)壓器模塊子程序如圖3所示，由于庫(kù)元件中沒(méi)有雙向晶閘管器件，故采用2個(gè)普通晶閘管反向并聯(lián)而成。

觸發(fā)器是實(shí)現(xiàn)控制的重要部分。不帶零線(xiàn)的3相交流調(diào)壓器，只有當(dāng)其中2相同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，才有電流通過(guò)，因此，觸發(fā)器的輸出脈沖必須使用寬脈沖。觸發(fā)器內(nèi)部程序如圖4所示。

電動(dòng)機(jī)選擇庫(kù)內(nèi)100馬力樣機(jī)，其特性具有籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的典型特性。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的關(guān)系以及機(jī)械（平方率）負(fù)載特性如圖5所示。

圖3 晶閘管3相交流調(diào)壓模塊子程序

圖4 脈沖發(fā)生器模塊子程序

圖5 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和平方律負(fù)載轉(zhuǎn)矩

2 仿真結(jié)果及分析

將圖2開(kāi)關(guān)（相當(dāng)圖1接觸器KM）閉合，電機(jī)全電壓起動(dòng)，仿真結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯饎?dòng)電流很大，峰值接近1600A；起動(dòng)時(shí)間很短（為縮短仿真時(shí)間，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量采用很小的數(shù)值）。

圖6 全壓直接起動(dòng)轉(zhuǎn)速與電流波形

圖2模型是根據(jù)速度反饋量控制觸發(fā)相移角，原則是速度高則角度小，速度低，角度大。由于觸發(fā)角與輸出的交流電壓之間嚴(yán)重的非線(xiàn)性關(guān)系，只能采取嘗試的辦法，控制器的內(nèi)部計(jì)算程序如圖7所示。仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖7 控制器算法程序

圖8～圖9為采用速度反饋控制時(shí)的觸發(fā)角和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和電流波形曲線(xiàn)。此時(shí)，動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流減小為500A（峰值）左右，啟動(dòng)時(shí)間較直接起動(dòng)增大許多。在起動(dòng)電流和啟動(dòng)時(shí)間方面，通常需要做折衷處理。原則是：在滿(mǎn)足實(shí)際負(fù)載起動(dòng)（加速度、平穩(wěn)性、快速性等）的要求前提條件下，控制電流不超過(guò)一定得范圍。

另一種更為簡(jiǎn)單的方法是直接采用設(shè)定的觸發(fā)角起動(dòng)，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后將短路接觸器閉合。此時(shí)，圖2控制器的輸出端α觸發(fā)角由曲線(xiàn)或數(shù)據(jù)表給定；而由控制器C端（決定開(kāi)關(guān)短接的合閘脈沖）由定時(shí)器決定。此時(shí)，無(wú)需轉(zhuǎn)速測(cè)量反饋。

仿真結(jié)果如圖10～圖11所示。改變移相觸發(fā)角曲線(xiàn)，起動(dòng)過(guò)程就會(huì)相應(yīng)改變。對(duì)照?qǐng)D5、圖8線(xiàn)和圖10，不難理解：為何給定的觸發(fā)角在大角度（對(duì)應(yīng)低電壓）下停留較長(zhǎng)的時(shí)間。

圖8 觸發(fā)角隨速度的時(shí)間變化曲

圖9 軟啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形

圖10 觸發(fā)角隨時(shí)間變化的給定曲線(xiàn)

圖11 軟啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形

3 結(jié)論

給出了晶閘管降壓軟起動(dòng)器的MATLAB仿真模型，通過(guò)仿真算例，可以看出，該模型可以比較方便地模擬不同參數(shù)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、不同的機(jī)械負(fù)載、可以方便地添加不同的控制算法去模擬電動(dòng)機(jī)起動(dòng)全過(guò)程。

[1] 何致程.電動(dòng)機(jī)電子保護(hù)器和軟起動(dòng)器應(yīng)用指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3] 郭斌.電機(jī)軟起動(dòng)器MATLAB仿真分析[J].蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,9(2):32-34.