【正文】 的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應(yīng)，為系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。除此之外，為滿足特殊仿真需要， matlab還提供了 SFunction 模塊，用戶可以根據(jù)各自特殊需要，用 matlab 語言進(jìn)行功能編寫，然后封裝，像 matlab 自帶的元件一樣使用?；蛘唿c擊工具欄里的 simulink 圖標(biāo)，快速啟動 simulink 工具箱。故此在本章，根據(jù) 本文需要，對交流電機數(shù)學(xué)模型的進(jìn)行分析、建模，以方便后面仿真需要。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。在 SIMULINK環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。功能性工具箱主要用來擴(kuò)充其符號計算功能，圖示建模仿真功能，文字處理功能以及與硬件實時交互功能。在 FORTRAN 和 C 語言里，繪圖都很不容易，但在 MATLAB 里，數(shù)據(jù)的可視化非常簡單。更為難能可貴的是， MATLAB 甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程， MATLAB 會根據(jù)矩陣的特性選擇方程的求解方法，所以用戶根本不用懷疑 MATLAB 的準(zhǔn)確性。在求解過程中，最麻煩的要算第二部分。MATLAB給用戶帶來的是最直觀，最簡潔的程序開發(fā)環(huán)境。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)，工程中常用的形式十分相似，故用 MATLAB來解算問題要比用 C， FORTRAN等語言簡捷得多。 對于僅僅為軟啟動而制作的變頻器而言，應(yīng)在啟動完成后使變頻器脫電，使電動機直掛電網(wǎng)。但是，在各種應(yīng)用場合，人們對于各種性能的側(cè)重面不同，使各類啟動產(chǎn)品（包括傳統(tǒng)的星三角啟動）在市場上都可能會贏得自己的一席之地。能夠生產(chǎn)電壓（ 6~10KV）晶閘管軟啟動產(chǎn)品的廠家不多。在變頻軟啟動器，或者分級變頻軟啟動中，當(dāng)啟動完成后，如何切換到電網(wǎng)，又如何將工頻運行的電動機切換到變頻器進(jìn)行軟停車或優(yōu)化節(jié)能控制，是同步切換技術(shù)的關(guān)鍵。 交流電機軟啟動也具有很好的節(jié)能效果。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 16 電機運行在節(jié)能狀態(tài)時 ， 以基波功率因數(shù)作為控制參量 ， 即檢測基波電壓和電流的相位角 ? 與給定的功率因數(shù)角比較 ， 產(chǎn)生一個偏差信號去調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的移相角 ， 改變交流調(diào)壓器的輸出電壓 ， 提高電動機的功率因數(shù)。1I 成正比。為了保持 emT 不變，則轉(zhuǎn)子電流將增加，從而引起轉(zhuǎn)子銅耗增大。 （ b）機械損耗 mecP 。② 無功功率幾乎不變，但當(dāng)輕載時，有功成分較小，所 以電動機功率因數(shù)降低 。 實際應(yīng)用中，軟啟動具有如下優(yōu)點： （ a）啟動電流小，通過調(diào)節(jié)啟動轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)低速啟動，頻繁啟動和軟停止。這種啟動方式的特點是啟動電流相對較大，但啟動時間相對較短，適用于重載啟動的電機。這種啟動方式在啟動瞬間的啟動轉(zhuǎn)矩較大，適用于較大負(fù)載的啟動，如一些帶負(fù)載啟動的設(shè)備。主要用在輕載啟動和負(fù)載的降壓啟動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值 mI ，然后再保持輸出電流 mII? 的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，使電動機轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。 交流電機軟啟動器是當(dāng)今最先進(jìn)的用于交流電機啟動、停止的高新科技產(chǎn)品。 而且用在 啟動、停 車 時 ； 并 且 要 對轉(zhuǎn)矩要求不高 。 b）恒功率調(diào)速（ Nff? ） 當(dāng) Nff? 時，若保持電壓 不變而增大頻率時，磁通 ? 一定會減小，因而保證功率為一常數(shù)。 變頻器有以下特點： （ a）可很好地實現(xiàn)異步電動機的無級調(diào)速； （ b）可方便地進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速； （ c）調(diào)速范圍廣、平滑性較好、機械特性較硬； （ d）可實現(xiàn)有效的節(jié)能。啟動過程結(jié)束。自耦變壓器減壓啟動的主要缺點是在開關(guān)切換的過程中，仍然有較大的轉(zhuǎn)矩突變，對電動機及機械設(shè)備仍有較大的傷害，操作過電壓方面與電抗器的情況一樣。 為滿足不同負(fù)載的要求，自耦變壓器的二次繞組一般有三個抽頭，分別為電源電壓的 40%， 60%和 80%（或 55%， 64%及 73%）。 串聯(lián)電抗器啟動為有級降壓啟動，啟動過程中轉(zhuǎn)矩會有二次突變，仍會產(chǎn)生較大的機械沖擊，對機械及電機仍會有損傷，只是程度有所降低 。它們有不同的降壓啟動方法 ??5 。 （ b）當(dāng)不符合全壓啟動的條件時，電動機宜降壓啟動，或選擇其它合適的啟動方式。其次，轉(zhuǎn)矩沖擊大，對電動機本身和傳動機構(gòu)造成破壞，降低機械加工精度，破壞電機轉(zhuǎn)子軟組或籠型異步電動機的導(dǎo)條。 （ e）電壓控制啟動：它是用在輕載啟動的場合。 交流電機軟啟動的技術(shù)原理與仿真 3 晶閘管軟啟動技術(shù) 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，國際上已廣泛采用交流電動機軟啟（制）動技術(shù)，交流電機軟啟動器實現(xiàn)了交流電機軟啟動、軟停止， 功能完善，性能優(yōu)異，能滿足工業(yè)電機控制的廣泛需要。雖然轉(zhuǎn)子串 電阻能有效抑制啟動沖擊電流，但是，它沒法避免電網(wǎng)壓降，同時還產(chǎn)生了大量的能源浪費。這樣，對配電系統(tǒng)而言，電動機星型連接啟動時的電流，僅為三角形連接啟動時電流的 31 [4]。因此對電動機直接啟動有以下限制條件： （ a） 生產(chǎn)機械是否允許拖動電動機直接啟動，這是先決條件； （ b） 電動機的容量應(yīng)不大于供電變壓器容量的 10～ 15%； （ c） 啟 動過程中的電壓降△ U 應(yīng)不大于額定電壓的 15%。無論是啟動還是停止，均不能滿足平穩(wěn)平滑啟動、停止的工業(yè)生產(chǎn)工藝要求 [1]。然后分別對每種啟動方式的優(yōu)缺點進(jìn)行了說明，得出了 比較好的啟動方式是電壓控制啟動、轉(zhuǎn)矩控制啟動和轉(zhuǎn)矩加突跳控制 啟動， 并且對變頻調(diào)速做了淺談使之與軟啟動進(jìn)行比較得出了軟啟動的優(yōu)缺點。 再次借助 Matlab/Simulink 工具箱和電氣系統(tǒng)模塊庫 (Power System Blockset)對交流電機的軟啟動過程進(jìn)行仿真研究，建立了三相交流電壓環(huán)節(jié)模塊、同步環(huán)節(jié)模塊、脈沖發(fā)生模塊、三相交流調(diào)壓模塊、電機及測量模塊、電流反饋、啟動控制和電機切換等環(huán)節(jié)封裝模塊，構(gòu)建了完整的仿真系統(tǒng)模型，并分析了每個模塊的建立過程，參數(shù)設(shè)定及基本功能，給出了仿真結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行了 分析和驗證。 交流電機直接啟動的弊端及限制條件 直接啟動是最簡便的啟動方式，啟動時通過閘刀或接觸器將電機直 接接到電網(wǎng)上。對于中、大功率的電動機一般都不允許直接啟動，而要求采用一定的啟動設(shè)備，方可完成正常的啟動工作。 （ 2）定子串電阻降壓啟動方式： 在定子三相繞組串入電阻或電抗器，可在電動機啟動時分擔(dān)電壓，在電動機速度到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，切除串接電阻或電抗器。 （ 4）自耦變壓器降壓啟動方式： 自耦變壓器降壓啟動，是將自耦變壓器的原邊接入供電系統(tǒng)，副邊 (即原邊繞組的一部分 )接到電動機的定子繞組上。同時， 軟啟動控制在空載和輕載運轉(zhuǎn)時具有節(jié)能效果。 交流電機啟動方式選擇 三相交流異步電動機有多種啟動方式，全壓啟動是最直接的一種啟動方式。最后，直接啟動對容量較小的電網(wǎng)造成較大的電網(wǎng)壓降，影響其它同電網(wǎng)負(fù)載工作。 （ c）當(dāng)有調(diào)速要求時，電動機的啟動方式應(yīng)與調(diào)速方式相配合。 型異步電動機減壓啟動方法 籠型異步電動機為封閉轉(zhuǎn)子，降壓只能在定子端考慮，綜合各種文獻(xiàn)，可 知減壓啟動方法大致有三種。對 電網(wǎng)的影響也未達(dá)到最低。具體應(yīng)用還可根據(jù)實際情況向廠家定購。 星形－三角形（ Y－△） 啟動 星形－三角形啟動是一種減壓啟動方法，適用這種啟動方法的異步電動機，在運行時是連接成三角形，而且每相繞組引出兩個出線端，三相共引出六個出線端。電機停止轉(zhuǎn)動時，可直接斷開電源開關(guān) Q1，并應(yīng)立刻斷開開關(guān)Q2，并放在中間位置，否則下次啟動時將造成直接啟動，這是不允許的。 變頻軟啟動的基本結(jié)構(gòu) 以電壓型交 直 交變頻器結(jié)構(gòu)為例 變頻器主電路： 圖 15 變頻器主電路 主電路 — 為電動機提供調(diào)頻調(diào)壓電源的電力變換部分。對不同的負(fù)載，可采用不同的調(diào)速方式。 如果對啟動轉(zhuǎn)矩有要求 ， 那也只能用變頻器 。它實現(xiàn)了交流電機軟啟動、軟停止，功能完善，性能優(yōu)異，能滿足工業(yè)電機控制的廣泛需要，是降壓、星 三 角等傳統(tǒng)啟動控制方式的理想換 代產(chǎn)品。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 12 這種啟動方式的優(yōu)點是啟動電流小，且可按需要調(diào)整（啟動電流的限值 mI 必須根據(jù)電動機的啟動轉(zhuǎn)矩來設(shè)定， mI 值設(shè)的過小，將會使啟動失效或燒毀電機）啟動電流。 c）脈沖恒流軟啟動： 該方式是所介紹的啟動方式中啟動轉(zhuǎn)矩最大的一種，該啟動方式在啟動初始階段有一個較大的啟動沖擊電流，該電流值大于設(shè)定的恒流啟動值 I，從而產(chǎn)生較大的沖擊矩去克服較大的靜摩擦轉(zhuǎn)矩，使設(shè)備能夠啟動，然后即進(jìn)入恒流啟動階段直至啟動完畢，如圖 24 所示。 （ 3）轉(zhuǎn)矩控制啟動 轉(zhuǎn)矩控制啟動主要用在重載啟動，它是按電動機的啟動轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點是啟動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載啟動方式。 （ b）在啟停時過度自然，不易傷害設(shè)備，節(jié)電效果良好。③ 當(dāng)電動機運行于額定負(fù)載附近時，其效率和功率因數(shù)為最高。反映摩擦和風(fēng)阻等機械損耗，與機械特性有關(guān)。降壓時有2239。由以上分析可見，在滿足以下條件時，異步電動機在輕載降壓運行時可達(dá)到明顯的節(jié)能效果：一是電動機鐵耗在總損耗中所占的比重較大；二是空載電流 0I 較大，且在低負(fù)荷運行時， 0I 仍在 1I 中占較大的比重；三是電機電源電壓偏高。以一相為例觀察負(fù)載波形 (見圖 211)，負(fù)載電流是由強制分量 1i 和自由分量 2i 兩部分組成： 21 iii ?? ， 1i 為基波電流。它利用晶閘管降壓軟啟動負(fù)載較輕時功率因數(shù)低，通過降低控制電壓，提高功率因數(shù)，達(dá)到輕載節(jié)能效果。 隨著軟啟動器諸多功能的增加，如功率因數(shù)控制、通訊、節(jié)能、可視化操作等，使得軟啟動的智能化大大 提高。系列生產(chǎn)的晶閘管軟啟動裝置的最高電壓等級為 12KV，最大容量為 5000KW。 側(cè)重面有客觀和主觀兩個方面。這樣做的目的是節(jié)能，消除無謂的損耗。 當(dāng)前流行的 具包 (Toolbox)。以下簡單介紹一下 MATLAB的主要特點。解線性方程的麻煩在于要對矩陣的元素作循環(huán)，選擇穩(wěn)定的算法以及代碼的調(diào)試 不容易。 （ c）運算符豐富。 MATLAB 還具有較強的編輯圖形界面的能力。功能性工具箱用于多種學(xué)科。它為用戶 提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。采用 SCOPE 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時，就可觀看到仿真結(jié)果。 交流異步電動機是一個高階非線性，強耦合的多變量系統(tǒng)，如果忽略其非線性、多變量、強耦合的條件，近似求出線性單變量動態(tài)結(jié)構(gòu)，然后采用直流調(diào)速系統(tǒng)的分析及設(shè)計方法得到的動態(tài)性能往往精度不高。打開后， simulink 工具箱如圖 32 所示： 圖 31 Matlab 主界面圖 圖 32 Simulink仿真平臺 在 simulink 仿真界面上，可以看到有連續(xù)系統(tǒng)元件庫（ Continuous），離散系統(tǒng)仿真元件庫（ Discrete），功能和表格庫（ Functionamp。此外，用戶也可以將數(shù)學(xué)模型用微分方程或傳遞函數(shù)來描述，就可以方便的用 matlab 自有的元件來建立用戶所需的元件。電力系統(tǒng)模型庫中包含了7 個子模型庫，其中 Extra Library(其他電氣子模塊庫 )還包含了六個二級子模型庫。由于這些原因，異步電動機是一個多變量（多輸入多輸出）系統(tǒng)，而電壓（電流）、頻率、磁通、轉(zhuǎn)速之間又互相都有 影響，所以是強耦合的多變量系統(tǒng)。39。qrmqssqs iLiL ??? （ 415） 39。39。 的量表示從定子側(cè)看過去的轉(zhuǎn)子折算量。39。39。 （ c）三相異步電動機定子有三個繞組，轉(zhuǎn)子也可等效為三個繞組，每個繞組產(chǎn)生磁通時都有自己的電磁慣性，再加上運動系統(tǒng)的機電慣性，即使不考慮變頻裝置中的滯后因素，至少也是一個七階系統(tǒng)。它們可以同標(biāo)準(zhǔn)的 Simulink 模塊一起使用建立包含電氣系統(tǒng)和控制回路的模型。模型庫中包含了各種交直流電源、大量電氣元器件、和電工測量儀表等。Systems），接收器模塊庫（ Sinks），信號源模塊庫（ Sources），子系統(tǒng)模塊庫（ Subsystems）。使用 Simulink 可以迅速建立各種線性或非線性模型，用戶可以任意觀測系統(tǒng)各處的動態(tài)變化，而且仿真速度快。仿真的結(jié)果還可以 存放到 MATLAB 的工作空間里做事后處理。 SIMULINK 包含有 SINKS（輸入方式）、 SOURCE（輸入源）、 LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、 NONLINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、 CONNECTIONS（連接與接口）和 EXTRA（其他環(huán)節(jié)）子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應(yīng)的功能模塊。這些工具箱都是由該領(lǐng)域?qū)W術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而 直接進(jìn)行高，精，尖的研究。由于MATLAB 的程序不用編譯等預(yù)處理，也不生成可執(zhí)行文件，程序為解釋執(zhí)行，所以速度較慢。 （ d） MATLAB 既具有結(jié)構(gòu)化的控制語句（如 for 循環(huán)， while 循環(huán)， break 語句和if 語句），又有面向?qū)ο缶幊痰奶匦?。解線性方程的程序用 FORTRAN和 C這樣的高級語言編寫，至少需要四百多行，調(diào)試這種幾百行的計算程序可以說很困難。 MATLAB程序書寫形式自由，利用豐富的庫函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。 開放性使 MATLAB廣受用戶歡迎。軟切換的可能步驟是“先脫（電）后掛（網(wǎng)）”或“先掛后脫”。顯然，主管