摘要：三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)，存在較大的電流沖擊，會(huì)引起電網(wǎng)電壓下降，影響同一電網(wǎng)其他設(shè)備的正常運(yùn)行。針對電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，通過在Simulink下建模、仿真，其結(jié)果證明了采用模糊控制的方法可以使三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流減小，從而達(dá)到平穩(wěn)起動(dòng)的目的。
關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)；模糊控制；軟起動(dòng)；電網(wǎng)電壓

    由于三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)過程中，瞬時(shí)電流沖擊很大，可高達(dá)額定電流的5～7倍，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩沖擊也很大，這些將對電動(dòng)機(jī)本身、拖動(dòng)設(shè)備及電源設(shè)備的使用壽命有很大的影響，同時(shí)也會(huì)對電網(wǎng)電壓造成很大的沖擊。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)方式有星形一三角起動(dòng)，自耦變壓器起動(dòng)，串聯(lián)電抗器起動(dòng)等。這些方法存在大的電流沖擊，轉(zhuǎn)速?zèng)_擊和轉(zhuǎn)矩沖擊等弊端。而當(dāng)將模糊控制運(yùn)用到三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)，可以通過對啟動(dòng)電流進(jìn)行控制，使啟動(dòng)過程中無瞬間沖擊。三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)過程作為非線性時(shí)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(shù)學(xué)模型，采用模糊控制算法，可以使整個(gè)系統(tǒng)的抗誤差能力增強(qiáng)。因此，本文介紹了一種基于模糊控制原理的三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，可以得出采用模糊控制對三相異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)進(jìn)行控制，具有很好的控制效果。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)技術(shù)
    由于社會(huì)生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)需求的不斷增加，對三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能提出了越來越高的要求，包括下面幾個(gè)方面：盡可能小的起動(dòng)電流；起動(dòng)設(shè)備盡可能簡單、適用，起動(dòng)操作方便；起動(dòng)過程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少；三相異步電動(dòng)機(jī)能平穩(wěn)地提升起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)符合要求的機(jī)械特性曲線等。因此，提出了三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)這種方法。傳統(tǒng)老式三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)，都是在原電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)上增加一個(gè)限流或降壓設(shè)備，這樣會(huì)使系統(tǒng)變的很復(fù)雜。其缺點(diǎn)有：一是設(shè)備體積大，重量重，耗電量增加，成本高；二是設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜不便于操作與管理，特別是有二次電流沖擊，使設(shè)備故障率高，需要經(jīng)常去維護(hù)，因此不宜用在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上；三是調(diào)整不靈活，會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了軟啟動(dòng)的發(fā)展。當(dāng)把模糊控制滲透到三相異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)時(shí)，從而克服了傳統(tǒng)軟啟動(dòng)的一些缺點(diǎn)，把模糊控制的一些優(yōu)點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，表現(xiàn)出很強(qiáng)的魯棒性，算法簡單，執(zhí)行快等都應(yīng)用到了三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)中。

2 軟啟動(dòng)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(jīng)驗(yàn)，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(shù)變化不太敏感，能克服非線性、時(shí)變和純滯后因素的影響，不要求被控對象具有精確的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的魯棒性。
    該系統(tǒng)針對三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數(shù)學(xué)模型，采用的模糊控制方法把電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流與設(shè)定值之差E及其一個(gè)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(dòng)機(jī)晶閘管的觸發(fā)角，改變?nèi)喈惒诫妱?dòng)機(jī)的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。
    本文的三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)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(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流值的偏差值，電流變化率為一個(gè)采樣周期內(nèi)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(shù)越高，控制越精細(xì)。但是維數(shù)越高，控制規(guī)則將變得越復(fù)雜，控制算法的實(shí)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(shù)太小，則在調(diào)節(jié)過程中容易出現(xiàn)振蕩和調(diào)節(jié)“死區(qū)”。基于以上考慮把E的論域設(shè)為[-6，+6]，EC的論域設(shè)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(dòng)機(jī)起動(dòng)電流產(chǎn)生較大的波動(dòng)，同時(shí)考慮到實(shí)際應(yīng)用中三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)節(jié)所能達(dá)到的靈敏度，將模糊控制的輸出控制量U的論域設(shè)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(shù)。電流偏差隸屬函數(shù)曲線圖如圖2所示，電流偏差變化率和輸出量的隸屬函數(shù)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(gè)輸入變量有7個(gè)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(quán)平均判決法，由如下公式計(jì)算：
   
    建立模糊控制規(guī)則如表1所示。

3 三相異步電機(jī)軟起動(dòng)仿真模型
    圖3為三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)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(jī)模塊、電動(dòng)機(jī)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(guān)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(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)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(dòng)機(jī)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(shù)設(shè)置如下：異步電機(jī)參數(shù)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(zhuǎn)子繞組電阻為O．816 Ω，轉(zhuǎn)子繞組漏感為0．004 H，互感為0．069 3 H，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0．189 kg·m2，摩擦系數(shù)為0，極對數(shù)為2；三相電源參數(shù)：電壓220×，頻率為50 Hz；負(fù)載設(shè)定：在6s時(shí)給電機(jī)加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大小為20；晶閘管觸發(fā)角的初值設(shè)為50°(即設(shè)定了啟動(dòng)電流的初值)。仿真的起始時(shí)間為0 s，結(jié)束時(shí)間為10 s，采用ode15s算法，相對誤差為10-3。

4 仿真結(jié)果分析
    根據(jù)上述的模糊控制策略，通過對三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行模糊控制軟啟動(dòng)仿真和用傳統(tǒng)的串聯(lián)電抗器軟啟動(dòng)進(jìn)行仿真的結(jié)果如圖6所示。

    通過圖6～圖9的仿真結(jié)果可以看出，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)(在這里選取了串聯(lián)電抗器起動(dòng))，存在大的電流沖擊，轉(zhuǎn)速?zèng)_擊等弊端；而模糊控制應(yīng)用到三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)，克服了電流，轉(zhuǎn)速的沖擊，起動(dòng)的過程比較平穩(wěn)。根據(jù)圖6和圖8的仿真結(jié)果可以看出，基于晶閘管模糊控制的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的起動(dòng)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(dòng)電流的過沖；只是在突加負(fù)載的時(shí)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間非常短，上升時(shí)間只有0.2s左右，超調(diào)很小，起動(dòng)過程非常平穩(wěn)，當(dāng)在電動(dòng)機(jī)到達(dá)平穩(wěn)后，突然給其加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，可以看出電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速很平穩(wěn)的減小，直到平穩(wěn)為止。

5 結(jié)語
    將模糊控制方法應(yīng)用于三相異步電機(jī)軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，用模糊控制實(shí)現(xiàn)對異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制的方法，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，控制規(guī)則簡單，魯棒性強(qiáng)，能較好地克服傳統(tǒng)起動(dòng)方法存在的缺點(diǎn)，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。它的缺點(diǎn)是在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，模糊控制規(guī)則是人工建立的，無自主學(xué)習(xí)功能。