基于模糊控制的三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)研究

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。