基于模糊控制的中压异步电机软启动控制器的研究

1  引言
    
　　三相异步电机直接起动时会产生很大的危害。本文采用三相反并联晶闸管控制导通电压来实现电机的软启动。但要使电机的定子电压按某一特定规律变化是很困难的，原因是：电机的续流角决定于其功率因数角，而功率因数角又与电机转速相关，在电机起动过程中，电机转速的不断变化，会导致功率因数角的变化。因此，本文提出将模糊控制应用于中压异步电动机软启动器的控制中，有效解决了电流振荡问题，获得较好的控制效果。

2  功率因数角时变引起的电流振荡问题
    
　　根据三相异步电动机t型电路进行等效，电机的功率因数角为相电压与相电流的相位差，它等于电机单相阻抗z的阻抗角， 。当电机参数已知时，阻抗z为给定的电机，在给定的频率下其同步转速ns是固定的。    
    
　　由n=ns(1-s)及上式可得电机的功率因数角θ与电机转速n之间的函数关系θ=f(n)，即可得出某4极三相电机函数关系曲线如图1所示。

图1  4极三相电机函数关系曲线

　　从图1可以看到，在电机起动过程中，电机的功率因数角θ变化非常大：电机由静止状态开始，随着电机转速n的上升，θ角逐渐减小，当电机转速上升到额定转速时，θ角达到最小值，如图1中第1 段曲线所示；当电机处于轻载运行状态下时，其转速可以进一步提升，此时，功率因数角θ又随转速n的上升而增大，如图1中第2段曲线所示。
    
　　根据晶闸管调压电路的工作原理，额外的不可忽视的影响晶闸管输出电压的因素是电机的续流作用，而电机续流角的变化规律决定于其功率因数角，且该续流角便于实际测量。
    考虑晶闸管调压型软起动控制器的一相电路，其工作电压示意图如图2所示。

图2  工作电压示意图

　　所以： ，α为检测过零后设定的触发角，θ为功率因数角， 为实际导通角。晶闸管的输出电压有效值应为：
     
 
　　在电机软起动过程中，电机的端口电压是逐渐提高的，其电压大小取决于晶闸管的实际导通角 ， 而又取决于α和θ的大小，而由图1 知在启动过程中θ又随着电机的转速不断变化，如果升压过程中α没有及时变化，而θ变小，则会出现实际有效电压下降，此时必然会引起电机转速下降，而功率因数角θ随之变大，则实际导通角又会增大，实际电压增大，转速升高θ又会变小，如此往复就会出现转矩振荡，同时电流表现为电流震荡，电机启动不起来，会出现严重的后果。这也是本文要解决的问题。

3  系统的构成及原理
    
　　目前，国外的软启动器主要时采用串联晶闸管技术，但是，由于晶闸管抗干扰能力不强容易受工作坏境的限制，而且晶闸管老化容易引起参数变化问题，使控制容易出现偏差。而把变压器来隔离高压和低压(如图3)，变压器的高压绕组串在异步电动机的定子回路中，而低压绕组与晶闸管相连。低压绕组的晶闸管导通以前，变压器工作在空载状态，变压器的励磁阻抗很大，所以电网电压基本上都降在三相开关变压器上，电动机不能起动。起动时，通过控制系统控制晶闸管的触发角，可以连续改变低压绕组上的电压，进而可以改变高压绕组的电压而达到连续改变电机端电压的目的，这样可以实现电机的软起动。由于变压器工作在开关状态，所以变压器的损耗很小。

图3  采用变压器的软起动器