基于MATLAB_SIMULINK的异步电动机软起动控制系统的仿真.pdf

第30卷第6期 辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.30,No.6 2010 年 12 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition)Dec.2010 收稿日期：2010-10-14 作者简介：朱延枫(1977-)，女，辽宁北镇人，讲师，硕士。基于 MATLAB/SIMULINK 的 异步电动机软起动 控制系统的仿真 朱延枫，耿大勇，王春霞，赵凤贤（辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001）摘 要：针对异步电动机直接起动会产生很大起动电流的特性，提出了一种基于 PID 控制原理的异步电动机软起动控制方法。利用 MATLAB/SIMULINK 对此闭环控制系统建立了仿真模型并进行了仿真实验。仿真结果表明采用 PID 控制的软起动控制方法可以有效地限制异步电动机的起动电流，因此该控制方法是正确有效的。关键词：异步电动机；软起动；PID 控制；仿真 中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2010)06-0356-04 Simulation of Soft-Starting Control System for Asynchronous Motor Based on MATLAB/SIMULINK ZHU Yan-feng,GENG Da-yong,WANG Chun-xia,ZHAO Feng-xian（Electric Engineering College,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001,China）Key words:asynchronous motor;soft-starting;PID control;simulation Abstract:Considering the very large starting current brought by the asynchronous motors when being started,a soft-starting control method for asynchronous motors based on PID control theory was presented.The simulation model of the closed loop control was built based on MATLAB/SIMULINK and simulation was carried out.The simulation results expatiate that starting current of the asynchronous motor is limited in valid by using the soft-starting method based on PID control,so the PID control method is correct and valid.三相异步电动机因具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜、惯性小、响应速度快等优点而被工农业生产广泛采用。但其直接全压起动电流大，且对电网的影响和对工作机械的冲击力都很大，因而必须采取一些技术措施对起动电流和冲击力加以有效控制，实现比较平稳的起动1。在现有的诸多起动方式中，软起动以其控制方便、可反馈闭环控制、平滑性较好等优点引起了许多学者的重视，因此对异步电动机软起动进行仿真研究无疑具有重要意义。MATLAB 是一种功能强大，简单易学的仿真软件，在科研教学及工程应用中显示出越来越强大的优越性，并在电路电子分析，计算和设计等领域得到了广泛的应用。SIMULINK 是 MATLAB 中的基于框图的仿真平台，提供了各种仿真工具箱，其中的模块可以方便地进行 RLC 电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真2。本文基于 MATLAB/SIMULINK 建立了异步电动机软起动 PID 控制系统的仿真模型，并完成仿真实验。文献3在设计软起动控制电路中采用的是利第 6 期 朱延枫等：基于 MATLAB/SIMULINK 的异步电动机软起动控制系统的仿真 357 用反馈电流与设定电流的偏差来调整电动机的端电压，再利用该电压去调整晶闸管的触发角，因此设计比较繁琐，并且也不易调整。文献4在设计软起动控制电路中采用的是 PI 控制，取得了较为理想的控制效果，但其某些仿真模型设计比较麻烦，如电流有效值计算模块，并且晶闸管触发脉冲产生电路中考察的并不是电机起动电流有效值的限定值 Iref，检测到的电流的有效值 Iback与晶闸管触发角 的关系，而是含有比例系数，因此设计上也显得比较麻烦。而本文在设计软起动控制电路中直接考虑 Iref，Iback和 的关系，设计简单易懂，并且对于Simulink 相关模块库中的某些可以直接利用的模块加以直接利用(如有效值计算模块)，因此仿真模型也较文献4简单，由于微分环节反映了偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前在系统中引入一个有效地早起修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间5，因此本文在文献4PI 控制的基础上引入了微分控制，从后面的仿真实验结果可以看出采用 PID 控制比采用 PI 控制的效果更好。1 异步电动机软起动控制系统 软起动器是在电动机调速装置的基础上逐步发展起来的，也称作减压起动器(SSRVS)3。异步电动机软起动主电路的原理图如图 1 所示，是由三 组反并联的晶闸管串接在异步电动机的三相电路上，通过控制晶闸管的触发角来调整加到电动机上的三相电压使电动机的起动电流根据工作要求变化。本文所设计的异步电动机软起动控制系统的原理图如图 2 所示。从图 2 可知将起动过程中检测 到的电机定子线电流的有效值与预先设定的电流值进行比较，经 PID 控制得到合适的晶闸管触发角，并去触发三相交流调压电路中的 6 个晶闸管以实现对电动机起动过程的控制。图 1 软起动主电路图 图 2 软起动控制系统原理图 2 异步电动机软起动控制系统的 仿真 2.1 异步电动机软起动控制系统的仿真模型 图 3 为异步电动机软起动控制系统仿真模型，它主要由三相交流电源模块、同步电路模块、脉冲产生模块、三相交流调压模块、异步电机模块、软起动控制模块、电机参数测量模块、电流有效值计算模块及显示器模块等构成。下面对一些主要模块做一简单说明。图 3 电动机软起动控制系统仿真模型 三相交流电源三相交流调压电路软起动控制电路电流设定值 电流检测电路 同步电路 电机 晶闸管触发脉冲产生电路 CVT1 VT4 VT3 VT5 VT2 A B VT6 M 3 三相交流电源 时钟 同步系统 脉冲产生模块 软起动控制模块 电机测量模块 异步电机 三相交流延迟模块 有效值计算模块 电流设定值 负载 转矩 转速 电流有效值 358 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 30 卷 2.1.1 触发脉冲产生模块 以 A 相中两个晶闸管 VT1，VT4的触发脉冲为例(其他两相同理)，具体模型见图 4.本文中的触发脉冲产生电路参考了文献2中的相关内容。A 相电压经一延迟环节形成一方波信号，该方波信号再经斜率设定模块(Rate Limiter)得到锯齿波信号，该锯齿波信号与移相控制电压uC比较来调整锯齿波的过零点，最后再经一延迟环节(Relay1)产生前沿可调，后沿固定的晶闸管触发脉冲。图 4 中的函数运算模块完成触发角 到移相控制电压的变换作用，这样所设计的脉冲产生电路可以保证每一相的两个晶闸管在电源电压的正、负周期内对称导通，相邻相的同一方向的晶闸管(VT1，VT3)的触发脉冲相差 120.图 4 触发脉冲产生模块子系统 2.1.2 三相交流调压模块 三相交流调压模块是对图 1 的软起动主电路图中 6 个 晶 闸 管 构 成 的 电 路 利 用 MATLAB/SIMULINK 相关的模块建立的仿真模型，图 5 仅以一相为例给出了 A 相中两个晶闸管 VT1、VT4的反并联连接的模型，其他两相同理。图 5 A 相双相晶闸管子系统 2.1.3 软起动 PID 控制模块 如图 6 所示，该模块的输入信号为电流限定值Iref，及电流反馈值 Iback.触发角 的初始值 0设为100o.0不能取得过大，否则电机将由于电压太低而无法起动。图中的饱和环节 Saturation 起到到限制触发角的作用。PID 控制参数取为 kP=1.5，kI=1，kD=0.01.该模块的输出信号为晶闸管触发角的变化量.2.1.4 同步电路模块 如图 7 所示。由于三相交流调压电路中的晶闸管触发角=0 的点定在各相电压过零点，而不是线电压。另外电气系统模块同 Simulink 常规模块本质不同，两类模块之间的信号流动必须借助中间接口模块，因而根据性质，选用了电压测量模块，如图7 所示。图 6 软起动 PID 控制模块 图 7 同步电路模块 2.1.5 电流有效值计算模块 有效值计算模块可以直接选择 MATLAB/Simulink 中的 Extra Library/Measurements/RMS.注意在使用时要将频率设定为 50 Hz.2.2 软起动 PID 控制环节 从上面的软起动 PID 控制模块的说明可知，晶闸管触发角 与反馈电流 Iback和限定电流 Iref之间的关系满足下式 0PbackrefIbackref 0Dbackref()()d ()/dtkIIkIItk d IIt=+(1)其中 为晶闸管触发角；0为晶闸管触发角的初始值；kP为比例系数；kI为积分系数；kD为微分系数；Iref为起动电流有效值的限定值；Iback为检测到的电流的有效值。从式(1)可以看出，当 Iback Iref时，增加，电机端电压减小因而限制了起动电流。+-V+-V+-V 11 AA1 BB1 CC1 电压测量 1触发角 12kP kI kD 1.5 1 0.01 100 1/s du/dt+_ Iref Iback 触发角初始值 Saturation a g g a k k m m Function g1 Relay Rate Limiter 2-+1 1-1-+2u(1)/18 g4 Gain A1 第 6 期 朱延枫等：基于 MATLAB/SIMULINK 的异步电动机软起动控制系统的仿真 359 2.3 仿真结果 以文献4中的三相异步电动机为例进行仿真。电机参数如下：额定功率 5.5 kW，线电压 380 V，额定电流 12.6 A，定子电阻 R1=2.65，转子折算到电阻 R2=1.8，铁耗等效电阻 Rm=5.372，定、转子互感 Lm=0.32 H，定、转子漏电感，转动惯量 L1=L2=0.0353 H，极对数 p=3.限定电流设置为 25 A，kP取为 1.5；kI取为 1；kD取为 0.01，0设为 100.假设电机空载起动。按上述参数建立好的电动机软起动控制系统仿真模型如图 3 所示，仿真算法采用 ode23tb，相对误差 1e-3，绝对误差 1e-3.图 8 为直接起动、软起动 PI 和 PID 控制时的相电流有效值变化曲线。从图 8 中可知直接起动时的起动电流很大，而且起动瞬间会产生很大的冲击电流，而采用 PID 控制时，起动电流以一定的速度平稳地增加，并保持小于 25 A 直到起动过程结束。而采用 PI 控制(kP=1.5；kI=1；kD=0)时的相电流比采用 PID 控制时大，超过了 25 A 并且电流的抖动也比较大，可见加入了微分控制使电流的偏差变得更小了，加快了系统的动作速度，减少了调节时间。图 8 直接起动(点划线)、软起动 PI 控制(虚线)和 PID 控制(实线)电流有效值波形 图 9 为采用 PID 控制时电机转速的变化曲线。从图 9 中可以看出，引入微分环后，虽然上升时间变大了，但转速的调节时间缩短了。微分环节虽然提高了系统的响应速度，但却有对干扰敏感的缺点，因此在检测环节加入一个采样时间为 0.02 s，带宽有限的白噪声来检验所提出的控制方法的抗噪能力。图 10 为噪声能量为 0.1 时电路有效值的波形，从图中可知，即使控制参数相同，但电流值在某一时间大于了限定电流 Iref.通过仿真实验可得出本文提出的控制方法的噪声容限为 0.074.图 9 直接起动(虚线)和软起动(实线)转速波形 图 10 加噪后电流波形 3 结束语 本文基于 MATLAB/SIMULINK 及电力系统模块库来建立了三相异步电动机软起动PID控制系统的仿真模型，并对其进行了仿真实验。仿真结果表明，对电机软起动采用 PID 控制可以有效地减小起动电流，并且与 PI 控制相比由于引入了微分环节，是系统的电流偏差减小，响应速度加快，调节时间缩短，因此本文所设计的控制系统是正确的、有效的。参考文献：1 闫朝阳,张微,顾和荣,等.双向开关高频变换型三相异步电动机软起动器J.电力电子技术,2009,43(12):52-54.2 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的 Matlab 仿真M.北京:机械工业出版社,2006:1-2.3 黄劭刚,黄华高,季国瑜.基于 MATLAB 的异步电动机软起动过程的仿真J.辽宁工学院学报,2003,20(7):101-104.(下转第 370 页)0 0.2 0.4 0.6 0.8t/s I/A 50 40 30 20 10 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8t/s I/A 50 40 30 20 10 0 25 1200 0 0.5 1 1.5 t/s 1000 600 400 800 0 200 n/rmin-1 370 辽宁工业大学学报(自然科学版)第 30 卷 土工膜的稳定进行验证。首先对土工膜水平伸出长度进行计算。利用式(1)，可以计算出土工膜单位宽度上的许用应力TGM=24 kN/m，把该值代入式(2)后，计算出土工膜水平伸出长度 LH=2 m.由于垃圾场上端采用槽型锚固沟进行土工膜锚固设计，通过式(5)可以计算得到槽型锚固沟许用应力TAT=24.73 kN/m，再利用式(6)，有 1.16GMATTT=通过对锚固率的计算，锚固率大于 1，说明土工膜有可能被从锚固沟中拉出，但不会发生土工膜由于拉应力不足而破坏，这种情况是安全的。3 锚固率的影响因素与控制措施 为了保证土工膜不被拉伸破坏，锚固率是最直接的表达形式，其中影响土工膜锚固率的因素有边坡坡度、土工膜厚度、覆盖土层厚度和土工膜水平伸出长度等。设计中为使锚固提供足够的抗拉力，特别是对于高差达 510 m 的边坡，土工膜的自重力及填埋作业时产生的拉力全部由锚固来承担，存在较大的风险6。在锚固平台边缘，土工膜很容易被拉断、撕裂，在设计中可以采取以下措施加以解决。(1)加长锚固沟横断面的周长，将沟的形状设计成收口式，提高锚固力。(2)锚固平台边缘一定要修圆、磨光，其半径不小于 500 mm.(3)选择带毛面的土工膜，加大土工膜与边坡之间的摩擦，其中最有效的办法是用不锈钢螺栓按一定间距将土工膜固定在边坡上。4 结 语 本文针对城市垃圾填埋场中的土工膜锚固设计问题进行了分析研究。从土工膜不同的锚固形式出发，建立土工膜锚固的力学模型，推导出相应的土工膜张力计算公式，并通过锚固率对土工膜的破坏进行验证。同时也针对垃圾填埋场中土工膜的锚固率影响因素进行分析，并针对土工膜的锚固问题提出了三种控制措施，这将对防止土工膜破坏、保护环境起到很大作用。参考文献：1 张乾飞,王艳明,徐永福.城市固体垃圾填埋场不均匀沉降分析J.岩土力学,2007,28(2):404-408.2 Giroud J P,Beech J F.Stability of Soil Layers on Geosynthetic Lining SystemsA.Proceedings of Conference Geosynthetics,Industrial Fabrics Association InternationalC.California:s.n.，1989:35-46.3 Wilson-Fahmy R F,Koerner R M.Finite Element Analysis of Stability of Cover Soil on Geomembranelined SlopesA.Proceedings of Conference GeosyntheticsC.Canada:s.n.,1993:1425-1437.4 Koerner R M,Hwu B L.Stability and Tension Considerations Regarding Cover Soils on Geomembranelined SlopesJ.Geotextiles and Geomembranes,1991,10(4):335-355.5 张鹏,王建华,陈锦剑.垃圾填埋场边坡上土工膜的拉力与位移分析J.岩土力学,2004,25(5):789-792.6 王汉强,沈楼燕,吴国高.固体废弃物处置堆存场环境岩土技术M.北京:科学出版社,2007:252-256.责任编校：孙 林 (上接第 359 页)4 耿大勇,贾丹,李振刚.基于 SIMULINK 异步电动机软起动控制系统的仿真J.辽宁工学院学报,2006,26(3):141-143.5 刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真M.北京:电子工业出版社,2003:1.责任编校：孙 林