晶閘管軟起動器的MATLAB仿真研究

姜 靜，史 蕓

（1. 青島工學(xué)院，青島 266300；2. 青島濱海學(xué)院，青島 266555 ）

0 引言

籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)以結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、重量輕、價格便宜，在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是由于在啟動時會產(chǎn)生較大的啟動電流（一般為額定電流的5～7倍），降低了設(shè)備的使用壽命，同時過大的電流也會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。目前，許多商用軟起動器采用晶閘管交流調(diào)壓器原理[1]，其工作原理和控制框圖如圖1所示。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜，可實現(xiàn)小起動電流平滑起動；缺點(diǎn)是起動轉(zhuǎn)矩小，不適合重載起動。因此，晶閘管調(diào)壓軟起動器通常用于起動轉(zhuǎn)矩很小的中、大功率的風(fēng)機(jī)、水泵類平方律負(fù)載的電力拖動系統(tǒng)中。

MATLAB是工程研發(fā)過程中普遍應(yīng)用的一個商用軟件[2,3]，其功能十分強(qiáng)大，雖然不能替代實際的實驗和調(diào)試過程，但合理應(yīng)用它，可以大大節(jié)約實驗所耗費(fèi)的時間和費(fèi)用。特別是，它常常被用來進(jìn)行各種設(shè)計方案的可行性驗證以及系統(tǒng)動態(tài)過程中對重要參數(shù)進(jìn)行計算選擇。

圖1 感應(yīng)電機(jī)軟啟動器框圖

本文提出的晶閘管軟起動器MATLAB模型適用于圖1所示的感應(yīng)電動機(jī)降壓啟動過程的分析。

1 軟起動器的仿真模型

圖2 異步電機(jī)軟啟動仿真模型

MATLAB仿真模型如圖2所示。主要由電動機(jī)、電機(jī)測量部分、晶閘管調(diào)壓器模塊、相移觸發(fā)器模塊和控制電路模塊組成。

3相晶閘管交流調(diào)壓器模塊子程序如圖3所示，由于庫元件中沒有雙向晶閘管器件，故采用2個普通晶閘管反向并聯(lián)而成。

觸發(fā)器是實現(xiàn)控制的重要部分。不帶零線的3相交流調(diào)壓器，只有當(dāng)其中2相同時導(dǎo)通時，才有電流通過，因此，觸發(fā)器的輸出脈沖必須使用寬脈沖。觸發(fā)器內(nèi)部程序如圖4所示。

電動機(jī)選擇庫內(nèi)100馬力樣機(jī)，其特性具有籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機(jī)的典型特性。電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的關(guān)系以及機(jī)械（平方率）負(fù)載特性如圖5所示。

圖3 晶閘管3相交流調(diào)壓模塊子程序

圖4 脈沖發(fā)生器模塊子程序

圖5 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和平方律負(fù)載轉(zhuǎn)矩

2 仿真結(jié)果及分析

將圖2開關(guān)（相當(dāng)圖1接觸器KM）閉合，電機(jī)全電壓起動，仿真結(jié)果如圖6所示。可以看出，起動電流很大，峰值接近1600A；起動時間很短（為縮短仿真時間，電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量采用很小的數(shù)值）。

圖6 全壓直接起動轉(zhuǎn)速與電流波形

圖2模型是根據(jù)速度反饋量控制觸發(fā)相移角，原則是速度高則角度小，速度低，角度大。由于觸發(fā)角與輸出的交流電壓之間嚴(yán)重的非線性關(guān)系，只能采取嘗試的辦法，控制器的內(nèi)部計算程序如圖7所示。仿真結(jié)果見圖8。

圖7 控制器算法程序

圖8～圖9為采用速度反饋控制時的觸發(fā)角和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和電流波形曲線。此時，動時起動電流減小為500A（峰值）左右，啟動時間較直接起動增大許多。在起動電流和啟動時間方面，通常需要做折衷處理。原則是：在滿足實際負(fù)載起動（加速度、平穩(wěn)性、快速性等）的要求前提條件下，控制電流不超過一定得范圍。

另一種更為簡單的方法是直接采用設(shè)定的觸發(fā)角起動，經(jīng)過一定的時間后將短路接觸器閉合。此時，圖2控制器的輸出端α觸發(fā)角由曲線或數(shù)據(jù)表給定；而由控制器C端（決定開關(guān)短接的合閘脈沖）由定時器決定。此時，無需轉(zhuǎn)速測量反饋。

仿真結(jié)果如圖10～圖11所示。改變移相觸發(fā)角曲線，起動過程就會相應(yīng)改變。對照圖5、圖8線和圖10，不難理解：為何給定的觸發(fā)角在大角度（對應(yīng)低電壓）下停留較長的時間。

圖8 觸發(fā)角隨速度的時間變化曲

圖9 軟啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形

圖10 觸發(fā)角隨時間變化的給定曲線

圖11 軟啟動時的轉(zhuǎn)速和電流波形

3 結(jié)論

給出了晶閘管降壓軟起動器的MATLAB仿真模型，通過仿真算例，可以看出，該模型可以比較方便地模擬不同參數(shù)的感應(yīng)電動機(jī)、不同的機(jī)械負(fù)載、可以方便地添加不同的控制算法去模擬電動機(jī)起動全過程。

[1] 何致程.電動機(jī)電子保護(hù)器和軟起動器應(yīng)用指南[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 洪乃剛.電力電子、電機(jī)控制系統(tǒng)的建模和仿真[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[3] 郭斌.電機(jī)軟起動器MATLAB仿真分析[J].蘭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2009,9(2):32-34.