基於模糊控制的中壓異步電機軟啟動控制器的研究

2020-12-25 電子發燒友

基於模糊控制的中壓異步電機軟啟動控制器的研究

葉子 發表於 2011-06-29 09:57:04

 

1  引言
    
　　三相異步電機直接起動時會產生很大的危害。本文採用三相反並聯晶閘管控制導通電壓來實現電機的軟啟動。但要使電機的定子電壓按某一特定規律變化是很困難的，原因是：電機的續流角決定於其功率因數角，而功率因數角又與電機轉速相關，在電機起動過程中，電機轉速的不斷變化，會導致功率因數角的變化。因此，本文提出將模糊控制應用於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  功率因數角時變引起的電流振蕩問題
    
　　根據三相異步電動機t型電路進行等效，電機的功率因數角為相電壓與相電流的相位差，它等於電機單相阻抗z的阻抗角， 。當電機參數已知時，阻抗z為給定的電機，在給定的頻率下其同步轉速ns是固定的。    
    
　　由n=ns(1-s)及上式可得電機的功率因數角θ與電機轉速n之間的函數關係θ=f(n)，即可得出某4極三相電機函數關係曲線如圖1所示。



圖1  4極三相電機函數關係曲線

　　從圖1可以看到，在電機起動過程中，電機的功率因數角θ變化非常大：電機由靜止狀態開始，隨著電機轉速n的上升，θ角逐漸減小，當電機轉速上升到額定轉速時，θ角達到最小值，如圖1中第1 段曲線所示；當電機處於輕載運行狀態下時，其轉速可以進一步提升，此時，功率因數角θ又隨轉速n的上升而增大，如圖1中第2段曲線所示。
    
　　根據晶閘管調壓電路的工作原理，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流作用，而電機續流角的變化規律決定於其功率因數角，且該續流角便於實際測量。
    考慮晶閘管調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為檢測過零後設定的觸發角，θ為功率因數角， 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，電機的埠電壓是逐漸提高的，其電壓大小取決於晶閘管的實際導通角 ， 而又取決於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，則會出現實際有效電壓下降，此時必然會引起電機轉速下降，而功率因數角θ隨之變大，則實際導通角又會增大，實際電壓增大，轉速升高θ又會變小，如此往復就會出現轉矩振蕩，同時電流表現為電流震蕩，電機啟動不起來，會出現嚴重的後果。這也是本文要解決的問題。

3  系統的構成及原理
    
　　目前，國外的軟啟動器主要時採用串聯晶閘管技術，但是，由於晶閘管抗幹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變化問題，使控制容易出現偏差。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迴路中，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，變壓器的勵磁阻抗很大，所以電網電壓基本上都降在三相開關變壓器上，電動機不能起動。起動時，通過控制系統控制晶閘管的觸發角，可以連續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改變電機端電壓的目的，這樣可以實現電機的軟起動。由於變壓器工作在開關狀態，所以變壓器的損耗很小。


圖3  採用變壓器的軟起動器

3.1 基於模糊的控制器 
    
　　恆流軟啟動最大的障礙，就是避免進入轉矩和電流振蕩。通常採用閉環的pid控制實現異步電動機的恆流軟起動。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生轉矩和電流的振蕩。模糊控制不依賴於精確的數學模型，而且集結了有經驗的專家的多年的控制經驗，因而可以實現較理想的控制。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，要採用模糊控制技術就必須把它們轉換成模糊集合的隸屬函數。 
    
　　把e的變化範圍設定為[-6，6]區間連續變化量，使之離散化，構成含13個整數元素的離散集合：{-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轉換為在[-6，6]之間變化的變量e。同理，可將die/dt 的區間[0，20a/s]轉換為[-6，6]之間變化的量c；δu的區間[0，0.1]轉換為[-6，6]之間變化的量。然後取加權平均係數β=0.9， 根據：δu=βe+(1-β)ec即可得到e和ec一一對應的模糊規則表。
    
　　在實際運行中，通過上述轉換後通過查表得到δu的模糊值，然後根據反模糊規則δu=uk×0.1/12+0.5，從而得到實際的輸出電壓u的值，通過移相觸發確定觸發角α。最後當啟動完成後，bang-bang控制，關閉開關變壓器的開關。

4  試驗及結論
    
　　根據上述設計方案，進行了試驗，被控對象為1140v/85a的感應電動機，其額定轉速為970r/min。採用恆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，空間啟動衝擊較大；圖6為1.5倍額定電流啟動電流電壓曲線，電壓上昇平穩，電流基本無衝擊，效果比較理想。比較好的解決了轉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  結束語
    
　　本文首先分析了在電機啟動過程中的功率因數角變化的問題，並把它作為一個參量考慮到變電壓軟啟動中經常出現的轉矩震蕩和電流振蕩問題。採用模糊控制算法，吸取專家經驗，閉環反饋電流，有效的解決了恆流軟啟動中的振蕩問題，得到了較理想的控制效果。

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