摘要：三相異步電動機直接啟動，存在較大的電流沖擊，會引起電網電壓下降，影響同一電網其他設備的正常運行。針對電動機的這一特性，介紹了一種基于模糊控制原理的三相異步電動機的軟起動控制系統(tǒng)，通過在Simulink下建模、仿真，其結果證明了采用模糊控制的方法可以使三相異步電動機的啟動電流減小，從而達到平穩(wěn)起動的目的。
關鍵詞：三相異步電動機；模糊控制；軟起動；電網電壓

    由于三相異步電動機直接起動過程中，瞬時電流沖擊很大，可高達額定電流的5～7倍，且起動轉矩沖擊也很大，這些將對電動機本身、拖動設備及電源設備的使用壽命有很大的影響，同時也會對電網電壓造成很大的沖擊。傳統(tǒng)的電動機軟啟動方式有星形一三角起動，自耦變壓器起動，串聯(lián)電抗器起動等。這些方法存在大的電流沖擊，轉速沖擊和轉矩沖擊等弊端。而當將模糊控制運用到三相異步電動機軟啟動時，可以通過對啟動電流進行控制，使啟動過程中無瞬間沖擊。三相異步電動機軟啟動過程作為非線性時變被控對象，反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數學模型，采用模糊控制算法，可以使整個系統(tǒng)的抗誤差能力增強。因此，本文介紹了一種基于模糊控制原理的三相異步電動機軟啟動控制系統(tǒng)。通過仿真實驗，可以得出采用模糊控制對三相異步電動機的軟啟動進行控制，具有很好的控制效果。

1 三相異步電動機的軟起動技術
    由于社會生產技術的不斷發(fā)展和社會需求的不斷增加，對三相異步電動機的起動性能提出了越來越高的要求，包括下面幾個方面：盡可能小的起動電流；起動設備盡可能簡單、適用，起動操作方便；起動過程中的功率損耗應盡可能的少；三相異步電動機能平穩(wěn)地提升起動轉矩；三相異步電動機的起動符合要求的機械特性曲線等。因此，提出了三相異步電動機軟啟動這種方法。傳統(tǒng)老式三相異步電動機軟啟動，都是在原電動機系統(tǒng)上增加一個限流或降壓設備，這樣會使系統(tǒng)變的很復雜。其缺點有：一是設備體積大，重量重，耗電量增加，成本高；二是設備系統(tǒng)復雜不便于操作與管理，特別是有二次電流沖擊，使設備故障率高，需要經常去維護，因此不宜用在頻繁起動的設備上；三是調整不靈活，會產生較大的電流沖擊。隨著電力電子技術和計算機控制技術的飛速發(fā)展促進了軟啟動的發(fā)展。當把模糊控制滲透到三相異步電動機的軟啟動時，從而克服了傳統(tǒng)軟啟動的一些缺點，把模糊控制的一些優(yōu)點：系統(tǒng)結構簡單，不依賴被控對象的數學模型，具有內在的并行處理機制，表現(xiàn)出很強的魯棒性，算法簡單，執(zhí)行快等都應用到了三相異步電動機軟啟動中。

2 軟啟動模糊控制策略分析
2．1 模糊控制原理及模型建立
    模糊控制，作為一種語言控制器，主要是模仿人的控制經驗，因此模糊控制能近似地反映人的控制行為，其特性是對過程參數變化不太敏感，能克服非線性、時變和純滯后因素的影響，不要求被控對象具有精確的數學模型，具有很強的魯棒性。
    該系統(tǒng)針對三相異步電動機起動過程中反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數學模型，采用的模糊控制方法把電動機起動電流與設定值之差E及其一個周期的變化率EC作為輸入量，晶閘管觸發(fā)角的變化值U作為輸出量?？刂七^程中由模糊控制器對輸入量模糊化、模糊推理，決策和對輸出量去模糊化，最終得到輸出控制量，來控制三相異步電動機晶閘管的觸發(fā)角，改變三相異步電動機的輸入電壓，實現(xiàn)軟起動。
    本文的三相異步電動機軟起動控制系統(tǒng)采用模糊控制的方法，其模糊控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2．2 電流偏差和電流變化率以及輸出控制量的模糊化
    電流偏差是指電流的給定值與檢測感應電動機起動電流值的偏差值，電流變化率為一個采樣周期內電流偏差的變化。從理論上講，模糊控制量劃分的狀態(tài)維數越高，控制越精細。但是維數越高，控制規(guī)則將變得越復雜，控制算法的實現(xiàn)也變的十分困難。但如果將模糊控制量劃分的狀態(tài)維數太小，則在調節(jié)過程中容易出現(xiàn)振蕩和調節(jié)“死區(qū)”。基于以上考慮把E的論域設為[-6，+6]，EC的論域設為[-0.6，+0.6]。取E和EC的語言集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。為了避免電動機起動電流產生較大的波動，同時考慮到實際應用中三相異步電動機調節(jié)所能達到的靈敏度，將模糊控制的輸出控制量U的論域設定為[-1，1]，輸出控制量U論域的取值為輸出觸發(fā)角變化量的弧度值，取U的語言集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。E，EC和U均采用三角形隸屬度函數。電流偏差隸屬函數曲線圖如圖2所示，電流偏差變化率和輸出量的隸屬函數曲線與前面所述的基本一致。

2．3 模糊控制規(guī)則的確立
    雙輸入／單輸出型模糊控制器的控制規(guī)則為“If E is A and EC is Bthen U is C”。其中A，B，C為模糊子集；由于每個輸入變量有7個模糊子集，所以共有49條模糊推理規(guī)則。模糊決策采用加權平均判決法，由如下公式計算：
   
    建立模糊控制規(guī)則如表1所示。

3 三相異步電機軟起動仿真模型
    圖3為三相異步電動機軟起動控制仿真原理圖，由電源模塊、電壓測量模塊、常量輸入模塊、6脈沖觸發(fā)模塊、信號分解模塊、反并聯(lián)晶閘管模塊、觸發(fā)模塊、階躍信號模塊、電機模塊、電動機測量單元、示波器、放大器、回饋控制部分(選路器、放大器、常量模塊、可控開關模塊、飽和限制模塊、信號延遲模塊、模糊控制模塊)組成。

    圖4為三相異步電動機軟啟動控制中的反并聯(lián)晶閘管模塊，由3對反并聯(lián)的晶閘管組成。圖5為模糊控制模塊，其輸入端為三相異步電動機A相電流的有效值，其輸出是用來控制觸發(fā)脈沖器的觸發(fā)延遲角。仿真參數設置如下：異步電機參數為：額定功率為4．7 kW，額定電壓為380 V，定子繞組電阻為O．435 Ω，定子繞組漏感為0．004 H，轉子繞組電阻為O．816 Ω，轉子繞組漏感為0．004 H，互感為0．069 3 H，轉動慣量為0．189 kg·m2，摩擦系數為0，極對數為2；三相電源參數：電壓220×，頻率為50 Hz；負載設定：在6s時給電機加一個負載轉矩大小為20；晶閘管觸發(fā)角的初值設為50°(即設定了啟動電流的初值)。仿真的起始時間為0 s，結束時間為10 s，采用ode15s算法，相對誤差為10-3。

4 仿真結果分析
    根據上述的模糊控制策略，通過對三相異步電動機進行模糊控制軟啟動仿真和用傳統(tǒng)的串聯(lián)電抗器軟啟動進行仿真的結果如圖6所示。

    通過圖6～圖9的仿真結果可以看出，傳統(tǒng)的電動機軟啟動(在這里選取了串聯(lián)電抗器起動)，存在大的電流沖擊，轉速沖擊等弊端；而模糊控制應用到三相異步電動機軟啟動時，克服了電流，轉速的沖擊，起動的過程比較平穩(wěn)。根據圖6和圖8的仿真結果可以看出，基于晶閘管模糊控制的電動機軟起動的起動電流峰值限制在15 A左右，僅為額定電流的1倍左右，有效的抑制了起動電流的過沖；只是在突加負載的時候，造成了電流輕微的振蕩，但沖擊電流很小，最后穩(wěn)定在20A左右；電動機的轉速到達額定轉速的時間非常短，上升時間只有0.2s左右，超調很小，起動過程非常平穩(wěn)，當在電動機到達平穩(wěn)后，突然給其加一個負載轉矩時，可以看出電動機轉速很平穩(wěn)的減小，直到平穩(wěn)為止。

5 結語
    將模糊控制方法應用于三相異步電機軟起動中，利用Matlab／Simulink的電力系統(tǒng)模塊庫和模糊工具箱建立了異步電動機的軟起動仿真模型。仿真結果表明，用模糊控制實現(xiàn)對異步電動機軟起動控制的方法，具有較好的動態(tài)性能，控制規(guī)則簡單，魯棒性強，能較好地克服傳統(tǒng)起動方法存在的缺點，提高整個系統(tǒng)的可靠性。它的缺點是在優(yōu)化設計中，模糊控制規(guī)則是人工建立的，無自主學習功能。