基于模糊控制的三相異步電動機軟啟動研究

摘要：三相異步電動機直接啟動，存在較大的電流沖擊，會引起電網電壓下降，影響同一電網其他設備的正常運行。針對電動機的這一特性，介紹了一種基于模糊控制原理的三相異步電動機的軟起動控制系統(tǒng)，通過在Simulink下建模、仿真，其結果證明了采用模糊控制的方法可以使三相異步電動機的啟動電流減小，從而達到平穩(wěn)起動的目的。
關鍵詞：三相異步電動機；模糊控制；軟起動；電網電壓

由于三相異步電動機直接起動過程中，瞬時電流沖擊很大，可高達額定電流的5～7倍，且起動轉矩沖擊也很大，這些將對電動機本身、拖動設備及電源設備的使用壽命有很大的影響，同時也會對電網電壓造成很大的沖擊。傳統(tǒng)的電動機軟啟動方式有星形一三角起動，自耦變壓器起動，串聯(lián)電抗器起動等。這些方法存在大的電流沖擊，轉速沖擊和轉矩沖擊等弊端。而當將模糊控制運用到三相異步電動機軟啟動時，可以通過對啟動電流進行控制，使啟動過程中無瞬間沖擊。三相異步電動機軟啟動過程作為非線性時變被控對象，反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數(shù)學模型，采用模糊控制算法，可以使整個系統(tǒng)的抗誤差能力增強。因此，本文介紹了一種基于模糊控制原理的三相異步電動機軟啟動控制系統(tǒng)。通過仿真實驗，可以得出采用模糊控制對三相異步電動機的軟啟動進行控制，具有很好的控制效果。

1 三相異步電動機的軟起動技術
由于社會生產技術的不斷發(fā)展和社會需求的不斷增加，對三相異步電動機的起動性能提出了越來越高的要求，包括下面幾個方面：盡可能小的起動電流；起動設備盡可能簡單、適用，起動操作方便；起動過程中的功率損耗應盡可能的少；三相異步電動機能平穩(wěn)地提升起動轉矩；三相異步電動機的起動符合要求的機械特性曲線等。因此，提出了三相異步電動機軟啟動這種方法。傳統(tǒng)老式三相異步電動機軟啟動，都是在原電動機系統(tǒng)上增加一個限流或降壓設備，這樣會使系統(tǒng)變的很復雜。其缺點有：一是設備體積大，重量重，耗電量增加，成本高；二是設備系統(tǒng)復雜不便于操作與管理，特別是有二次電流沖擊，使設備故障率高，需要經常去維護，因此不宜用在頻繁起動的設備上；三是調整不靈活，會產生較大的電流沖擊。隨著電力電子技術和計算機控制技術的飛速發(fā)展促進了軟啟動的發(fā)展。當把模糊控制滲透到三相異步電動機的軟啟動時，從而克服了傳統(tǒng)軟啟動的一些缺點，把模糊控制的一些優(yōu)點：系統(tǒng)結構簡單，不依賴被控對象的數(shù)學模型，具有內在的并行處理機制，表現(xiàn)出很強的魯棒性，算法簡單，執(zhí)行快等都應用到了三相異步電動機軟啟動中。

2 軟啟動模糊控制策略分析
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驗，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)學模型，具有很強的魯棒性。
該系統(tǒng)針對三相異步電動機起動過程中反饋電流與晶閘管觸發(fā)角之間沒有精確的數(shù)學模型，采用的模糊控制方法把電動機起動電流與設定值之差E及其一個周期的變化率EC作為輸入量，晶閘管觸發(fā)角的變化值U作為輸出量。控制過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機晶閘管的觸發(fā)角，改變三相異步電動機的輸入電壓，實現(xiàn)軟起動。
本文的三相異步電動機軟起動控制系統(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電動機起動電流值的偏差值，電流變化率為一個采樣周期內電流偏差的變化。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。但是維數(shù)越高，控制規(guī)則將變得越復雜，控制算法的實現(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，則在調節(jié)過程中容易出現(xiàn)振蕩和調節(jié)“死區(qū)”。基于以上考慮把E的論域設為[-6，+6]，EC的論域設為[-0.6，+0.6]。取E和EC的語言集為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。為了避免電動機起動電流產生較大的波動，同時考慮到實際應用中三相異步電動機調節(jié)所能達到的靈敏度，將模糊控制的輸出控制量U的論域設定為[-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。