基于MATLAB的異步電機軟起動過程的仿真

2017-04-12 10:59:15 大云網　點擊量：評論 (0)

核心提示：　　基于MATLAB的異步電機軟起動過程的仿真黃劭剛2，黃華高季國瑜2（1 浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2 南昌大學，江西南昌330029）闡述了軟起動主要環節模塊的處理，建立了完整　　基于MAT

核心提示：　　基于MATLAB的異步電機軟起動過程的仿真黃劭剛2，黃華高\季國瑜2（1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.南昌大學，江西南昌330029）闡述了軟起動主要環節模塊的處理，建立了完整

　　基于MATLAB的異步電機軟起動過程的仿真黃劭剛2，黃華高\季國瑜2（1.浙江大學電氣工程學院，浙江杭州310027；2.南昌大學，江西南昌330029）闡述了軟起動主要環節模塊的處理，建立了完整的仿真系統模型，最后給出仿真結果，實例驗證。

　　1前言異步電機應用十分廣泛，隨著社會的發展，生產技術的進步，在許多場合，人們對異步電機的起動性能也水漲船高。

　　在現有的諸多起動方，軟起動以其控制方便、可反饋閉環控制、平滑性好等優點脫穎而出，倍受青睞，國內的開發研究方興未艾。對異步電機軟起動進行仿真研究無疑具有重要意義，傳統使用Folran或C語言建模編程仿真方法存在著一些明顯缺點：編程效率不夠高，程序調試比較煩，做動態特性曲線不太方便。由于軟起動系統包括電路、電力電子、電機、控制等多個環節，更增加了傳統方法仿真的困難。

　　近幾年，特別是1998年Matlab5.2新增加了電氣系統模塊庫（PowwSystemBlockset）后，在我國應用Matlab進行電氣仿真異軍突起，而在此之前，Matlab主要在控制領域被廣泛使用。電氣系統模塊庫以Matlab下的Simulk動態系統建模仿真軟件為運行環境，涵蓋了電路、電力電子、電機等電工學科中常用的基本元件和系統的仿真模型，模塊的使用與常規Simulink模塊類似。本文就在電氣系統模塊庫基礎上，利用Matlab建立異步電機軟起動系統仿真模型，進行仿真。

　　2異步電機軟起動軟起動器是在電動機調速裝置的基礎上逐步發展起來的，也稱作減壓起動器（SSRVS）。它采用了晶閘管功率元件（SCR）構成的三相交流調壓電路，通過控制晶閘管功率元件的導通角，使施加于電動機的電壓自動逐步升高，電動機從停止狀態向運行狀態逐步加速，最終主回路原理圖在額定電壓下穩定運行，主電路基本原理圖如所示。

　　軟起動系統線路原理如所示。

　　控制回路大體由電壓同步信號采樣及處理電路、信號檢測電路、起動控制電路、保護控制電路以及移相控制電路等組成。

　　采樣及處理電路為移相控制觸發脈沖的基準，確保觸發脈沖相位與主回路電壓相位之間的精度。

　　信號檢測電路檢測電流大小、功率因數角等信號，提供限流控制及保護動作的依據。

　　軟起動核心和關鍵所在。選擇合理的控制策略，實現軟起動。

　　軟起動系統線路原理進行過流、斷相、相序、過熱等保護，保證電機安全可靠工作。

　　發出移相信號控制觸發角的大小，以改變晶閘管的開通程度，實現電動機輸入電壓的調節。

　　3軟起動仿真3.1異步電機數學模型異步電機數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，其在二相旋轉坐標系的d-q模型為：轉矩方程運動方程L丨方程中帶有（'）的量表示從定子側看過去的轉子折算量。

　　Matlab電氣系統模塊庫中提供的異步電機模型就是基于轉子旋轉坐標系的d-q模型，它的標準形式的模塊（Asy-chiomousMachineSIUnits）如所示，輸入A、B、C和輸出a、b、分別對應定子和轉子的三相線路連接，模塊內部定子和轉子的三相繞組都設定為星形接法，中性點不能為外部所用，標準形式異步電機模塊專用多路轉換分解器轉子的輸出通常直接短接或者也可和外部電路相連。Tm為電機負載轉矩輸入，mS1為含有20個電機量的矢量輸出，與此同時，模塊庫中提供了專用的多路轉換分解器（ASMMeasurementDemux）（），用于分離輸出電機的各種量值，如定、轉子三相電流、電機轉速、電磁轉矩等，這些輸出可用仿真示波器直接予以觀測。

　　3.2異步電機軟起動系統的仿真模型為應用Simulink建立的異步電機軟起動系統的仿真模型。它主要由三相交流電壓源、同步、脈沖發生、三相交流調壓、電機及測量、電流反饋和起動控制等環節封裝模塊組成，結構劃分與異步電機軟起動系統原理圖基本一致。脈沖發生子系統模塊、起動控制子系統模塊和其他模塊相比，模塊名稱前多加了一個‘’符號，這是由于在仿真初始化過程中，Simulink內部有一函數（powei2sys）逐一檢查模型中各模塊是否為電氣系統模塊，若是，則進行轉換，反之不用轉換，為了避免檢查Simulink常規模塊，以加快仿真速度，Simulink規定可在子系統模塊名前加一‘’，但必須確保子系統內全為Simulink常規模塊，以上提到的兩個子系統模塊就符合這個條件。

　　下面就對如何建立這幾個主要環節模塊作一討論：電氣系統模塊庫中只提供單相電源，而沒有現成的三相交流電源模塊，我們可使用三個單相交流電源按星形連接，通過設定正確的相位順序和幅值關系，簡單地加以組合構成，并封裝成模塊，運用時只需直接設定此模塊三相交流電源的線電壓與頻率。內部結構如所示。

　　同步環節模塊和三相橋式整三相交流電壓源異步電機軟起動仿真模型流電路不同，三相交流調壓電路的控制角a= 0的點定在各相電壓過零點，因而同步信號應取電源相電壓信號，而不是線電壓。其內部模型如，含有三個輸入端口，三個輸出端口。由于電氣系統模塊本質上同常規Simulink模塊是有區別的，涉及到兩類模塊之間的信號流動，必須使用中間接口模塊，因而根據性質，這里使用了電壓測量模塊作為輸入電氣信號和輸出Simulink信號的中間接口。

　　電氣系統附加模塊庫（P（we-中給出了一同步六脈沖發生器可以滿足一般要求，當然，也可根據實際需要，按照同步脈沖產生的機理，利用Simulink常規模塊自行構建此環節模塊。本仿真模型系統中，使用的是在上述庫中同步六脈沖發生器模塊基礎上加以改造后的模塊，采用寬脈沖觸發，限于同步環節模塊篇幅在此省去內部模型圖。

　　實際應用的軟起動系統，通常是采用電流互感器取得反饋信號，經整流、濾波等信號處理環節，以獲得如實反映起動電流（一般為有效值）的信號，實現起來并不簡單，而在仿真建模中，卻可輕易獲取起動電流的有效值，因為也是在附加模塊庫中，測量子庫（MeasuremaUs）提供了有效值，測量模塊（RMS）可直接加以利用，十分方便。

　　軟起動本質是降壓起動，關鍵在于限制起動電流。實現的過程是起動電壓由某一給定電壓值逐步升高，至所給定的限制電流之后保持恒定，在此恒定起動電壓下過高的電流開始衰減后，起動電壓再繼續上升，如此這般最終達到額定全壓。據此建立的封裝模塊內部模型如所示，輸入的電流反饋信號iback和限流給定值iref通過加法器進行比較，電流偏差經滯環比較（Relay），若反饋信號大于給定值，輸出為0，反之則輸出為1.電壓上升速率控制uincr值與滯環輸出相乘后，通過一積分環節，產生值由0按上升斜率為其乘積值線性遞增的信號，乘積值為0時，積分環節輸出即保持原有值不變。起動電壓起始給定值uini和積分輸出值比較，偏差經一飽和環節（Saturation）限制輸出值范圍，送至輸出端。uini和飽和輸出范圍的取值都表示觸發角a的大小。

　　三相交流調壓環節模塊三相交流調壓環節是異步電機軟起動特點所在，內部模型如，由脈沖發生環節輸出的脈沖經選擇器Selector和多路信號分解器Demux如圖供給各晶閘管，確保它們之間的觸發順序。從電氣系統模塊庫電力電子子模塊庫中選取6個晶閘管模塊（Thristor），連接構成三對雙向反并聯晶閘管電路，為避免產生代數回路（algebraicloop），晶閘管元件參數Lon可設得足夠小，但不能為0，考慮到帶電機這一感性負載，需設定Rs和Cs，為不影響仿真合理性，Rs可取大阻值（如1e6），Cs可取inf，其余參數按實際情況選取。

　　三相交流調壓環節模塊3.3仿真結果與實驗結果利用上述仿真模型，對“道爾”戰車用75IKW變頻機組的異步電機軟起動系統空載起動進行了仿真（限流有效值400A）。數值仿真算法：ode15s，相對誤差：1e- 3，絕對誤差：1e-3.由于該軟起動系統的起動時間比較長（約需半分鐘），整個起動過程的波形不便給出，為清楚起見，分別抽取起動初始階段、限流中間階段和起動結束階段的局部起動電流波形放大顯示，相應的實驗波形也同時列出，以作對照（0）。

　　從0我們可以看出，仿真波形和實驗波形基本吻合。

　　（a）起動初始段仿真電流波形（a）起動初始段實驗電流波形（b）限流階段局部仿真電流波形（1/）限流階段局部實驗電流波形（c）起動結束段仿真電流波形（c）起動結束段實驗電流波形0仿真波形和實驗波形4結論本文針對異步電機軟起動系統，利用Matlab/Simulink和電氣系統模塊庫建立其仿真模型，仿真高效、準確、直觀，為后續深入分析研究奠定了基礎，同時，仿真模型中建立的子系統模塊具有一定和借鑒價值，并且可以方便地移植拷貝，減少了今后相關領域的仿真研究的重復工作量。