基于MATLAB-SIMULINK的异步电动机软起动控制系统的仿真

第30卷第6期辽宁工业大学学报(自然科学版)Vol.30,No.62010年12月JournalofLiaoningUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition)Dec.2010收稿日期：2010-10-14作者简介：朱延枫(1977-)，女，辽宁北镇人，讲师，硕士。基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机软起动控制系统的仿真朱延枫，耿大勇，王春霞，赵凤贤（辽宁工业大学电气工程学院，辽宁锦州121001）摘要：针对异步电动机直接起动会产生很大起动电流的特性，提出了一种基于PID控制原理的异步电动机软起动控制方法。利用MATLAB/SIMULINK对此闭环控制系统建立了仿真模型并进行了仿真实验。仿真结果表明采用PID控制的软起动控制方法可以有效地限制异步电动机的起动电流，因此该控制方法是正确有效的。关键词：异步电动机；软起动；PID控制；仿真中图分类号：TM343文献标识码：A文章编号：1674-3261(2010)06-0356-04SimulationofSoft-StartingControlSystemforAsynchronousMotorBasedonMATLAB/SIMULINKZHUYan-feng,GENGDa-yong,WANGChun-xia,ZHAOFeng-xian（ElectricEngineeringCollege,LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China）Keywords:asynchronousmotor;soft-starting;PIDcontrol;simulationAbstract:Consideringtheverylargestartingcurrentbroughtbytheasynchronousmotorswhenbeingstarted,asoft-startingcontrolmethodforasynchronousmotorsbasedonPIDcontroltheorywaspresented.ThesimulationmodeloftheclosedloopcontrolwasbuiltbasedonMATLAB/SIMULINKandsimulationwascarriedout.Thesimulationresultsexpatiatethatstartingcurrentoftheasynchronousmotorislimitedinvalidbyusingthesoft-startingmethodbasedonPIDcontrol,sothePIDcontrolmethodiscorrectandvalid.三相异步电动机因具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜、惯性小、响应速度快等优点而被工农业生产广泛采用。但其直接全压起动电流大，且对电网的影响和对工作机械的冲击力都很大，因而必须采取一些技术措施对起动电流和冲击力加以有效控制，实现比较平稳的起动[1]。在现有的诸多起动方式中，软起动以其控制方便、可反馈闭环控制、平滑性较好等优点引起了许多学者的重视，因此对异步电动机软起动进行仿真研究无疑具有重要意义。MATLAB是一种功能强大，简单易学的仿真软件，在科研教学及工程应用中显示出越来越强大的优越性，并在电路电子分析，计算和设计等领域得到了广泛的应用。SIMULINK是MATLAB中的基于框图的仿真平台，提供了各种仿真工具箱，其中的模块可以方便地进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真[2]。本文基于MATLAB/SIMULINK建立了异步电动机软起动PID控制系统的仿真模型，并完成仿真实验。文献[3]在设计软起动控制电路中采用的是利第6期朱延枫等：基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机软起动控制系统的仿真357用反馈电流与设定电流的偏差来调整电动机的端电压，再利用该电压去调整晶闸管的触发角α，因此设计比较繁琐，并且也不易调整。文献[4]在设计软起动控制电路中采用的是PI控制，取得了较为理想的控制效果，但其某些仿真模型设计比较麻烦，如电流有效值计算模块，并且晶闸管触发脉冲产生电路中考察的并不是电机起动电流有效值的限定值Iref，检测到的电流的有效值Iback与晶闸管触发角α的关系，而是含有比例系数，因此设计上也显得比较麻烦。而本文在设计软起动控制电路中直接考虑Iref，Iback和α的关系，设计简单易懂，并且对于Simulink相关模块库中的某些可以直接利用的模块加以直接利用(如有效值计算模块)，因此仿真模型也较文献[4]简单，由于微分环节反映了偏差的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前在系统中引入一个有效地早起修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间[5]，因此本文在文献[4]PI控制的基础上引入了微分控制，从后面的仿真实验结果可以看出采用PID控制比采用PI控制的效果更好。1异步电动机软起动控制系统软起动器是在电动机调速装置的基础上逐步发展起来的，也称作减压起动器(SSRVS)[3]。异步电动机软起动主电路的原理图如图1所示，是由三组反并联的晶闸管串接在异步电动机的三相电路上，通过控制晶闸管的触发角来调整加到电动机上的三相电压使电动机的起动电流根据工作要求变化。本文所设计的异步电动机软起动控制系统的原理图如图2所示。从图2可知将起动过程中检测到的电机定子线电流的有效值与预先设定的电流值进行比较，经PID控制得到合适的晶闸管触发角α，并去触发三相交流调压电路中的6个晶闸管以实现对电动机起动过程的控制。图1软起动主电路图图2软起动控制系统原理图2异步电动机软起动控制系统的仿真2.1异步电动机软起动控制系统的仿真模型图3为异步电动机软起动控制系统仿真模型，它主要由三相交流电源模块、同步电路模块、脉冲产生模块、三相交流调压模块、异步电机模块、软起动控制模块、电机参数测量模块、电流有效值计算模块及显示器模块等构成。下面对一些主要模块做一简单说明。图3电动机软起动控制系统仿真模型三相交流电源三相交流调压电路软起动控制电路电流设定值电流检测电路同步电路电机晶闸管触发脉冲产生电路~CVT1VT4VT3VT5VT2~A~BVT6M3~三相交流电源时钟同步系统脉冲产生模块软起动控制模块电机测量模块异步电机三相交流延迟模块有效值计算模块电流设定值负载转矩转速电流有效值358辽宁工业大学学报(自然科学版)第30卷2.1.1触发脉冲产生模块以A相中两个晶闸管VT1，VT4的触发脉冲为例(其他两相同理)，具体模型见图4.本文中的触发脉冲产生电路参考了文献[2]中的相关内容。A相电压经一延迟环节形成一方波信号，该方波信号再经斜率设定模块(RateLimiter)得到锯齿波信号，该锯齿波信号与移相控制电压uC比较来调整锯齿波的过零点，昀后再经一延迟环节(Relay1)产生前沿可调，后沿固定的晶闸管触发脉冲。图4中的函数运算模块完成触发角α到移相控制电压的变换作用，这样所设计的脉冲产生电路可以保证每一相的两个晶闸管在电源电压的正、负周期内对称导通，相邻相的同一方向的晶闸管(VT1，VT3)的触发脉冲相差120°.图4触发脉冲产生模块子系统2.1.2三相交流调压模块三相交流调压模块是对图1的软起动主电路图中6个晶闸管构成的电路利用MATLAB/SIMULINK相关的模块建立的仿真模型，图5仅以一相为例给出了A相中两个晶闸管VT1、VT4的反并联连接的模型，其他两相同理。图5A相双相晶闸管子系统2.1.3软起动PID控制模块如图6所示，该模块的输入信号为电流限定值Iref，及电流反馈值Iback.触发角α的初始值α0设为100o.α0不能取得过大，否则电机将由于电压太低而无法起动。图中的饱和环节Saturation起到到限制触发角的作用。PID控制参数取为kP=1.5，kI=1，kD=0.01.该模块的输出信号为晶闸管触发角的变化量∆α.2.1.4同步电路模块如图7所示。由于三相交流调压电路中的晶闸管触发角α=0的点定在各相电压过零点，而不是线电压。另外电气系统模块同Simulink常规模块本质不同，两类模块之间的信号流动必须借助中间接口模块，因而根据性质，选用了电压测量模块，如图7所示。图6软起动PID控制模块图7同步电路模块2.1.5电流有效值计算模块有效值计算模块可以直接选择MATLAB/Simulink中的ExtraLibrary/Measurements/RMS.注意在使用时要将频率设定为50Hz.2.2软起动PID控制环节从上面的软起动PID控制模块的说明可知，晶闸管触发角α与反馈电流Iback和限定电流Iref之间的关系满足下式0PbackrefIbackref0Dbackref()()d()/dtkIIkIItkdIItαα=+−+−+−∫(1)其中α为晶闸管触发角；α0为晶闸管触发角的初始值；kP为比例系数；kI为积分系数；kD为微分系数；Iref为起动电流有效值的限定值；Iback为检测到的电流的有效值。从式(1)可以看出，当IbackIref时，α减小，加到电机上的电压逐步增加；当Iback=Iref时，α不变，电机端电压恒定；当IbackIref时，α增加，电机端电压减小因而限制了起动电流。+-V+-V+-V11AA1BB1CC1电压测量1触发角12kPkIkD1.510.011001/sdu/dt+++++_IrefIback触发角初始值SaturationaggakkmmFunctiong1RelayRateLimiter2-+11-1-+2u(1)/18g4GainA1第6期朱延枫等：基于MATLAB/SIMULINK的异步电动机软起动控制系统的仿真3592.3仿真结果以文献[4]中的三相异步电动机为例进行仿真。电机参数如下：额定功率5.5kW，线电压380V，额定电流12.6A，定子电阻R1=2.65Ω，转子折算到电阻R2’=1.8Ω，铁耗等效电阻Rm=5.372Ω，定、转子互感Lm=0.32H，定、转子漏电感，转动惯量L1σ=L2σ’=0.0353H，极对数p=3.限定电流设置为25A，kP取为1.5；kI取为1；kD取为0.01，α0设为100°.假设电机空载起动。按上述参数建立好的电动机软起动控制系统仿真模型如图3所示，仿真算法采用ode23tb，相对误差1e-3，绝对误差1e-3.图8为直接起动、软起动PI和PID控制时的相电流有效值变化曲线。从图8中可知直接起动时的起动电流很大，而且起动瞬间会产生很大的冲击电流，而采用PID控制时，起动电流以一定的速度平稳地增加，并保持小于25A直到起动过程结束。而采用PI控制(kP=1.5；kI=1；kD=0)时的相电流比采用PID控制时大，超过了25A并且电流的抖动也比较大，可见加入了微分控制使电流的偏差变得更小了，加快了系统的动作速度，减少了调节时间。图8直接起动(点划线)、软起动PI控制(虚线)和PID控制(实线)电流有效值波形图9为采用PID控制时电机转速的变化曲线。从图9中可以看出，引入微分环后，虽然上升时间变大了，但转速的调节时间缩短了。微分环节虽然提高了系统的响应速度，但却有对干扰敏感的缺点，因此在检测环节加入一个采样时间为0.02s，带宽有限的白噪声来检验所提出的控制方法的抗噪能力。图10为噪声能量为0.1时电路有效值的波形，从图中可知，即使控制参数相同，但电流值在某一时间大于了限定电流Iref.通过仿真实验可得出本文提出的控制方法的噪声容限为0.074.图9直接起动(虚线)和软起动(实线)转速波形图10加噪后电流波形3结束语本文基于MATLAB/SIMULINK及电力系统模块库来建立了三相异步电动机软起动PID控制系统的仿真模型，并对其进行了仿真实验。仿真结果表明，对电机软起动采用PID控制可以有效地减小起动电流，并且与PI控制相比由于引入了微分环节，是系统的电流偏差减小，响应速度加快，调节时间缩短，因此本文所设计的控制系统是正确