摘要：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)過程產(chǎn)生的過大沖擊電流,，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)帶來的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過小的問題,，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“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)過程中限制其起動(dòng)電流不超過某一設(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。
2．3 轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)
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(見圖10),。
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
隨著電動(dòng)機(jī)的廣泛使用，對(duì)電機(jī)起動(dòng)的要求越來越高,，對(duì)軟起動(dòng)裝置也使用越來越多,。滑模軟起動(dòng)器幾種軟起動(dòng)方式的改變主要是通過對(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,?；＼浧饎?dòng)器是綜合了多種軟起動(dòng)方式的軟起動(dòng)裝置，通過滑?？刂茖?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。