基于MATLAB的異步電機(jī)軟起動過程的仿真黃劭剛，黃華高\季國瑜（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027；2.南昌大學(xué)，江西南昌330029）闡述了軟起動主要環(huán)節(jié)模塊的處理，建立了完整的仿真系統(tǒng)模型，最后給出仿真結(jié)果，實例驗證。

　　1、前言異步電機(jī)應(yīng)用十分廣泛，隨著社會的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，在許多場合，人們對異步電機(jī)的起動性能也水漲船高。

　　在現(xiàn)有的諸多起動方，軟起動以其控制方便、可反饋閉環(huán)控制、平滑性好等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，倍受青睞，國內(nèi)的開發(fā)研究方興未艾。對異步電機(jī)軟起動進(jìn)行仿真研究無疑具有重要意義，傳統(tǒng)使用Folran或C語言建模編程仿真方法存在著一些明顯缺點(diǎn)：編程效率不夠高，程序調(diào)試比較煩，做動態(tài)特性曲線不太方便。由于軟起動系統(tǒng)包括電路、電力電子、電機(jī)、控制等多個環(huán)節(jié)，更增加了傳統(tǒng)方法仿真的困難。

　　近幾年，特別是1998年Matlab5.2新增加了電氣系統(tǒng)模塊庫（PowwSystemBlockset）后，在我國應(yīng)用Matlab進(jìn)行電氣仿真異軍突起，而在此之前，Matlab主要在控制領(lǐng)域被廣泛使用。電氣系統(tǒng)模塊庫以Matlab下的Simulk動態(tài)系統(tǒng)建模仿真軟件為運(yùn)行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電機(jī)等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統(tǒng)的仿真模型，模塊的使用與常規(guī)Simulink模塊類似。本文就在電氣系統(tǒng)模塊庫基礎(chǔ)上，利用Matlab建立異步電機(jī)軟起動系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行仿真。

　　2、異步電機(jī)軟起動軟起動器是在電動機(jī)調(diào)速裝置的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來的，也稱作減壓起動器（SSRVS）。它采用了晶閘管功率元件（SCR）構(gòu)成的三相交流調(diào)壓電路，通過控制晶閘管功率元件的導(dǎo)通角，使施加于電動機(jī)的電壓自動逐步升高，電動機(jī)從停止?fàn)顟B(tài)向運(yùn)行狀態(tài)逐步加速，最終主回路原理圖在額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行，主電路基本原理圖如所示。

　　軟起動系統(tǒng)線路原理如所示。

　　控制回路大體由電壓同步信號采樣及處理電路、信號檢測電路、起動控制電路、保護(hù)控制電路以及移相控制電路等組成。

　　采樣及處理電路為移相控制觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)，確保觸發(fā)脈沖相位與主回路電壓相位之間的精度。

　　信號檢測電路檢測電流大小、功率因數(shù)角等信號，提供限流控制及保護(hù)動作的依據(jù)。

　　軟起動核心和關(guān)鍵所在。選擇合理的控制策略，實現(xiàn)軟起動。

　　軟起動系統(tǒng)線路原理進(jìn)行過流、斷相、相序、過熱等保護(hù)，保證電機(jī)安全可靠工作。

　　發(fā)出移相信號控制觸發(fā)角的大小，以改變晶閘管的開通程度，實現(xiàn)電動機(jī)輸入電壓的調(diào)節(jié)。

　　3、軟起動仿真3.1異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，其在二相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d-q模型為：轉(zhuǎn)矩方程運(yùn)動方程L丨方程中帶有（'）的量表示從定子側(cè)看過去的轉(zhuǎn)子折算量。

　　Matlab電氣系統(tǒng)模塊庫中提供的異步電機(jī)模型就是基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d-q模型，它的標(biāo)準(zhǔn)形式的模塊（Asy-chiomousMachineSIUnits）如所示，輸入A、B、C和輸出a、b、分別對應(yīng)定子和轉(zhuǎn)子的三相線路連接，模塊內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子的三相繞組都設(shè)定為星形接法，中性點(diǎn)不能為外部所用，標(biāo)準(zhǔn)形式異步電機(jī)模塊專用多路轉(zhuǎn)換分解器轉(zhuǎn)子的輸出通常直接短接或者也可和外部電路相連。Tm為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入，mS1為含有20個電機(jī)量的矢量輸出，與此同時，模塊庫中提供了專用的多路轉(zhuǎn)換分解器（ASMMeasurementDemux）（），用于分離輸出電機(jī)的各種量值，如定、轉(zhuǎn)子三相電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩等，這些輸出可用仿真示波器直接予以觀測。

　　異步電機(jī)軟起動系統(tǒng)的仿真模型為應(yīng)用Simulink建立的異步電機(jī)軟起動系統(tǒng)的仿真模型。它主要由三相交流電壓源、同步、脈沖發(fā)生、三相交流調(diào)壓、電機(jī)及測量、電流反饋和起動控制等環(huán)節(jié)封裝模塊組成，結(jié)構(gòu)劃分與異步電機(jī)軟起動系統(tǒng)原理圖基本一致。脈沖發(fā)生子系統(tǒng)模塊、起動控制子系統(tǒng)模塊和其他模塊相比，模塊名稱前多加了一個‘’符號，這是由于在仿真初始化過程中，Simulink內(nèi)部有一函數(shù)（powei2sys）逐一檢查模型中各模塊是否為電氣系統(tǒng)模塊，若是，則進(jìn)行轉(zhuǎn)換，反之不用轉(zhuǎn)換，為了避免檢查Simulink常規(guī)模塊，以加快仿真速度，Simulink規(guī)定可在子系統(tǒng)模塊名前加一‘’，但必須確保子系統(tǒng)內(nèi)全為Simulink常規(guī)模塊，以上提到的兩個子系統(tǒng)模塊就符合這個條件。

　　下面就對如何建立這幾個主要環(huán)節(jié)模塊作一討論：電氣系統(tǒng)模塊庫中只提供單相電源，而沒有現(xiàn)成的三相交流電源模塊，我們可使用三個單相交流電源按星形連接，通過設(shè)定正確的相位順序和幅值關(guān)系，簡單地加以組合構(gòu)成，并封裝成模塊，運(yùn)用時只需直接設(shè)定此模塊三相交流電源的線電壓與頻率。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如所示。

　　同步環(huán)節(jié)模塊和三相橋式整三相交流電壓源異步電機(jī)軟起動仿真模型流電路不同，三相交流調(diào)壓電路的控制角a= 0的點(diǎn)定在各相電壓過零點(diǎn)，因而同步信號應(yīng)取電源相電壓信號，而不是線電壓。其內(nèi)部模型如，含有三個輸入端口，三個輸出端口。由于電氣系統(tǒng)模塊本質(zhì)上同常規(guī)Simulink模塊是有區(qū)別的，涉及到兩類模塊之間的信號流動，必須使用中間接口模塊，因而根據(jù)性質(zhì)，這里使用了電壓測量模塊作為輸入電氣信號和輸出Simulink信號的中間接口。

　　電氣系統(tǒng)附加模塊庫（P（we-中給出了一同步六脈沖發(fā)生器可以滿足一般要求，當(dāng)然，也可根據(jù)實際需要，按照同步脈沖產(chǎn)生的機(jī)理，利用Simulink常規(guī)模塊自行構(gòu)建此環(huán)節(jié)模塊。本仿真模型系統(tǒng)中，使用的是在上述庫中同步六脈沖發(fā)生器模塊基礎(chǔ)上加以改造后的模塊，采用寬脈沖觸發(fā)，限于同步環(huán)節(jié)模塊篇幅在此省去內(nèi)部模型圖。

　　實際應(yīng)用的軟起動系統(tǒng)，通常是采用電流互感器取得反饋信號，經(jīng)整流、濾波等信號處理環(huán)節(jié)，以獲得如實反映起動電流（一般為有效值）的信號，實現(xiàn)起來并不簡單，而在仿真建模中，卻可輕易獲取起動電流的有效值，因為也是在附加模塊庫中，測量子庫（MeasuremaUs）提供了有效值，測量模塊（RMS）可直接加以利用，十分方便。

　　軟起動本質(zhì)是降壓起動，關(guān)鍵在于限制起動電流。實現(xiàn)的過程是起動電壓由某一給定電壓值逐步升高，至所給定的限制電流之后保持恒定，在此恒定起動電壓下過高的電流開始衰減后，起動電壓再繼續(xù)上升，如此這般最終達(dá)到額定全壓。據(jù)此建立的封裝模塊內(nèi)部模型如所示，輸入的電流反饋信號iback和限流給定值iref通過加法器進(jìn)行比較，電流偏差經(jīng)滯環(huán)比較（Relay），若反饋信號大于給定值，輸出為0，反之則輸出為1.電壓上升速率控制uincr值與滯環(huán)輸出相乘后，通過一積分環(huán)節(jié)，產(chǎn)生值由0按上升斜率為其乘積值線性遞增的信號，乘積值為0時，積分環(huán)節(jié)輸出即保持原有值不變。起動電壓起始給定值uini和積分輸出值比較，偏差經(jīng)一飽和環(huán)節(jié)（Saturation）限制輸出值范圍，送至輸出端。uini和飽和輸出范圍的取值都表示觸發(fā)角a的大小。

　　三相交流調(diào)壓環(huán)節(jié)模塊三相交流調(diào)壓環(huán)節(jié)是異步電機(jī)軟起動特點(diǎn)所在，內(nèi)部模型如，由脈沖發(fā)生環(huán)節(jié)輸出的脈沖經(jīng)選擇器Selector和多路信號分解器Demux如圖供給各晶閘管，確保它們之間的觸發(fā)順序。從電氣系統(tǒng)模塊庫電力電子子模塊庫中選取6個晶閘管模塊（Thristor），連接構(gòu)成三對雙向反并聯(lián)晶閘管電路，為避免產(chǎn)生代數(shù)回路（algebraicloop），晶閘管元件參數(shù)Lon可設(shè)得足夠小，但不能為0，考慮到帶電機(jī)這一感性負(fù)載，需設(shè)定Rs和Cs，為不影響仿真合理性，Rs可取大阻值（如1e6），Cs可取inf，其余參數(shù)按實際情況選取。

　　三相交流調(diào)壓環(huán)節(jié)模塊仿真結(jié)果與實驗結(jié)果利用上述仿真模型，對“道爾”戰(zhàn)車用75IKW變頻機(jī)組的異步電機(jī)軟起動系統(tǒng)空載起動進(jìn)行了仿真（限流有效值400A）。數(shù)值仿真算法：ode15s，相對誤差：1e- 3，絕對誤差：1e-3.由于該軟起動系統(tǒng)的起動時間比較長（約需半分鐘），整個起動過程的波形不便給出，為清楚起見，分別抽取起動初始階段、限流中間階段和起動結(jié)束階段的局部起動電流波形放大顯示，相應(yīng)的實驗波形也同時列出，以作對照。

　　從以上我們可以看出，仿真波形和實驗波形基本吻合。

　�。�a）起動初始段仿真電流波形（a）起動初始段實驗電流波形（b）限流階段局部仿真電流波形（1/）限流階段局部實驗電流波形（c）起動結(jié)束段仿真電流波形（c）起動結(jié)束段實驗電流波形0仿真波形和實驗波形4結(jié)論本文針對異步電機(jī)軟起動系統(tǒng)，利用Matlab/Simulink和電氣系統(tǒng)模塊庫建立其仿真模型，仿真高效、準(zhǔn)確、直觀，為后續(xù)深入分析研究奠定了基礎(chǔ)，同時，仿真模型中建立的子系統(tǒng)模塊具有一定和借鑒價值，并且可以方便地移植拷貝，減少了今后相關(guān)領(lǐng)域的仿真研究的重復(fù)工作量。