關(guān)鍵詞：滑模;軟起動器;Simulink;斜坡起動;限流起動;轉(zhuǎn)矩控制起動;分級變頻起動
0 引言
不同的電機(jī)軟起動方式具有各異的特性。斜坡起動、限流起動解決電機(jī)起動過程產(chǎn)生的過大沖擊電流，這種起動方式適合于輕載電機(jī)起動;轉(zhuǎn)矩控制起動、分級變頻起動可以解決使用降壓起動帶來的起動轉(zhuǎn)矩過小的問題，適用于重載的電機(jī)起動。構(gòu)建適應(yīng)不同工作場合需
要的電動機(jī)滑模軟起動控制器具有工程應(yīng)用價值。滑模軟起動裝置集斜坡起動、限流起動、轉(zhuǎn)矩控制起動、分級變頻起動等方式于一體，通過改變對交流模塊輸入的晶閘管導(dǎo)通脈沖選擇電動機(jī)的軟起動方式，進(jìn)而擴(kuò)大軟起動裝置的使用范圍。本文在Matlab/Simulink環(huán)境下對滑模軟起動進(jìn)行了建模仿真研究。
1 軟起動器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 仿真系統(tǒng)建模
在Mafiab/Simulink環(huán)境中，建立一個軟起動器的模型，其綜合了斜坡軟起動、限流軟起動、轉(zhuǎn)矩控制軟起動及分級變頻軟起動這幾種軟起動方式。并且使該軟啟動器實(shí)現(xiàn)能夠讓用戶根據(jù)需要，選擇一種適合用于電機(jī)軟起動的方式進(jìn)行起動。圖1是基于Simulink的系統(tǒng)仿真框圖。在仿真系統(tǒng)中，主要包括了滑模軟起動控制、交流調(diào)壓、電機(jī)和電氣測量模塊等單元。
滑模軟起動控制模塊是由4個軟起動子模塊(four soft start)和軟起動方式滑模選擇模塊(switch subsystem)組成。輸入量有電機(jī)定子電流單相有效值RMS、電機(jī)A相輸入的電壓值Va與電流值Ia和同步電壓。
1.2 觸發(fā)脈沖子模塊
在整個系統(tǒng)中的晶閘管的觸發(fā)脈沖主要使用6脈沖發(fā)生器模塊來產(chǎn)生，并且能夠?qū)?脈沖進(jìn)行延遲，生成一組可控的6相脈沖波。產(chǎn)生的6相脈沖在4個軟起動方式中都有使用。其中圖4是六脈沖發(fā)生器的子系統(tǒng)。
在6脈沖發(fā)生器模塊中，有兩個常量“Pwidth”和“freq”，“Pwidth”的值為6相觸發(fā)脈沖的寬度;“freq”為同步電壓頻率;從“alpha deg”輸入端輸入觸發(fā)角的值，可以是一組連續(xù)變量，通過對“alpha_deg”的值生成一組可控的晶閘管導(dǎo)通的6相脈沖;“block”是6脈沖發(fā)生器的鎖存端，輸入端為零時，模塊正常工作產(chǎn)生一組6相脈沖;當(dāng)輸入端為高電平時，啟動截止保護(hù)，這時脈沖將不再產(chǎn)生，晶閘管也就不能導(dǎo)通。
但是在6脈沖生成器模塊中，其脈沖生成是根據(jù)電源的同步電壓進(jìn)行計算，子系統(tǒng)中的頻率設(shè)置和同步電壓的頻率是保持一致的，生成的6相脈沖頻率不可改變。在分級變頻軟起動模塊中，晶閘管的6相導(dǎo)由6相脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的一組基頻的脈沖波和一組低頻的脈沖進(jìn)行與運(yùn)算生成，這組脈沖是以低頻脈沖的頻率做為頻率，以基波脈寬作為脈沖寬度，并且可以通過“alpha deg”對脈沖進(jìn)行延遲。這樣生成一組低頻的導(dǎo)通角可控的低頻脈沖，滿足分級變頻軟起動的脈沖要求。在圖5分級變頻脈沖合成模塊中，頻率分別為F/2、F/4、F/5、F/7的方波脈沖和6脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行與運(yùn)算，生成F/2、F/4、F/5、F/7頻率方波，并根據(jù)輸入的時間選擇各個分級頻率運(yùn)行時間，完成分級變頻軟起動控制。
2 軟起動控制方式
在軟起動的仿真系統(tǒng)中，軟起動模塊中有四種軟起動方式的子模塊，分別是斜坡軟起動、限流軟起動、分級變頻軟起動和轉(zhuǎn)矩控制軟起動子模塊。四種軟起動是通過對晶閘管的導(dǎo)通角(alpha)不同計算方法，產(chǎn)生相適應(yīng)的四種軟起動方式的六脈沖，達(dá)到各自的軟起動的目的。
2.1 斜坡軟起動
斜坡式軟起動是從初始角開始以斜坡的方式增加電動機(jī)上的電壓直到額定電壓的軟起動方式。斜坡軟起動的初始角可以根據(jù)情況進(jìn)行設(shè)置，起動時間也可以由用戶調(diào)節(jié)。圖6是斜坡軟啟動alpha角計算的子模塊。“uini”是軟起動的初始角，“uincr”是軟起動的斜坡增長的斜率控制。
斜坡電壓軟起動是一種常見軟起動方式，這種起動方式的起動時間比直接起動長，起動電流比直接起動小，起動轉(zhuǎn)矩不高，容易實(shí)現(xiàn)。
2.2 限流起動
限流起動是在電動機(jī)的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值。這種起動方法主要用在輕載起動的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限制，然后在保持輸出電流小于電流設(shè)定值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，從而使電動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。圖7是基于Matlab/Simulink搭建的限流軟啟動alpha計算子模塊，alpha計算是在電流的閉環(huán)控制使用模糊控制器計算alpha角，調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓。
限流軟起動采用電流反饋的閉環(huán)模糊控制調(diào)節(jié)，可以快速、準(zhǔn)確地觸發(fā)晶閘管，避免大電流的沖擊，很好地限制起動電流。
轉(zhuǎn)矩控制起動是控制電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，并根據(jù)起動轉(zhuǎn)矩變化計算晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)而控制電機(jī)的輸入電壓，使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩滿足電動機(jī)使用要求。圖8是轉(zhuǎn)矩控制軟起動alpha角計算子模塊。
轉(zhuǎn)矩控制軟起動的優(yōu)點(diǎn)是起動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的負(fù)載起動方式。
2.4 分級變頻軟起動
分級變頻(離散頻率法)就是使傳統(tǒng)軟起動器輸出電壓的頻率從一個較低的值開始，分級上升，最后達(dá)到50Hz。分級變頻雖然可以實(shí)現(xiàn)變頻，但不能使頻率連續(xù)地變化，只能使頻率分級變化，而且各級頻率都是50Hz的n分之一(即50Hz的分頻)，實(shí)現(xiàn)較高起動轉(zhuǎn)矩。圖9是分級變頻軟起動導(dǎo)通角alpha的計算子模塊。在低頻起動過程中，為保持電機(jī)的主磁通不變，要相應(yīng)地降低定子電壓，通過計算得到電機(jī)在F/2、F/4、F/5、F/7的導(dǎo)通角alpha的大小，在頻率達(dá)到50Hz后，導(dǎo)通角緩慢減小到0，使電動機(jī)上的電壓達(dá)到額定電壓，完成軟起動。
分級變頻起動能有效提高電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩，可使電動機(jī)在重負(fù)載的情況下平滑起動。
3 仿真結(jié)果分析
在matlab/simulink仿真環(huán)境中，通過對圖1中軟起動方式的選擇，對斜坡控制、限流控制、轉(zhuǎn)矩控制和分級變頻控制進(jìn)行仿真。分別得到四種軟起動的定子有效電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的波形圖。
電機(jī)參數(shù)為10kW、220V、50Hz，極對數(shù)為2，定、轉(zhuǎn)子端的標(biāo)么值參數(shù)分別為：Rs=0.0401Ω;Rr=0.0377Ω;Ls=Lr=1.0349Ω。
通過對仿真結(jié)果的分析可以到處結(jié)論：斜坡起動是一種開環(huán)的起動控制方式，能夠降低電機(jī)的起動電流，起動轉(zhuǎn)矩不高，操作簡單;限流軟起動是采用電流的閉環(huán)控制，能夠很好地限制電機(jī)的起動電流，但是起動時間較長，起動轉(zhuǎn)矩不高;轉(zhuǎn)矩控制軟起動轉(zhuǎn)矩能夠平滑地上升，降低轉(zhuǎn)矩突變給拖動系統(tǒng)造成的影響，是很好的負(fù)載起動;分級變頻起動能夠限制電動機(jī)的起動電流，起動轉(zhuǎn)矩大，是一種有效的高轉(zhuǎn)矩起動方法，適用于大負(fù)載的電機(jī)起動。
4 結(jié)論
滑模軟起動器是綜合了多種軟起動方式的軟起動裝置，通過滑模控制對軟起動方式進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)多種軟起動，擴(kuò)大了軟起動裝置的應(yīng)用范圍，提高了軟起動裝置的實(shí)用性，具有很大實(shí)用價值。