【導讀】本課題設(shè)計的目的是為了給鼠籠式異步電動機軟啟動產(chǎn)品的開發(fā)做一個前瞻性的研究。本文主要深入的分析和研究了交流調(diào)壓軟啟動電路的可靠性和恒流控制問題。在解決可靠性問題上，從觸發(fā)方案和移相范圍的確定兩個方面出發(fā)，研究了各種觸發(fā)方案的可靠性。在解決恒流控制問題中，采用PID控制器對交流調(diào)壓鼠籠電機的啟動電流實施控制，并利用Matlab／Simulink工具箱建立電機模型，對結(jié)果進行了仿真。從電機發(fā)展至今，三相交流異步電動機得到了極其廣泛的應用。但是隨著其性能的不斷提高，它在啟動過程中存在的諸多問題也不斷的被暴露出來，尤其是對于大功率的三相交流異步電動機來說其弊端則更顯突出。首先，三相交流異步電動機在直接啟動過程中會產(chǎn)生很大的啟動電流，通?？梢赃_到額定電流的10--20倍，當較大的啟動電流流過電機繞組時就會產(chǎn)生大量的熱量，這樣就會使電機繞組元件的老化速度大大加快，從而導致電動機使用壽命的大大縮短。

　　

【正文】 好和魯棒性強等特點，且PID算法原理簡明，參數(shù)物理意義明確，是一種公認的良好控制方案。本節(jié)首先給出了傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，然后整定PID控制器的各個參數(shù)，最后給出仿真結(jié)果。本節(jié)采用的觸發(fā)方案是電壓同步寬脈沖觸發(fā)。傳統(tǒng)的PID控制器控制交流調(diào)壓鼠籠電機的啟動電流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4．1所示。圖中的被控對象為交流調(diào)壓電路和鼠籠式異步電機，輸入量c為系統(tǒng)給定，即為電機最大啟動電流的設(shè)定值。控制的理想目標為：在電機的啟動過程中，啟動電流保持在該設(shè)定值，即實現(xiàn)電機的恒流啟動。系統(tǒng)的輸出為定子電流i，控制量u的物理意義為觸發(fā)角，而且控制量u由式4．1 () 傳統(tǒng)PID控制的電流閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖式中Kp、Ki、Kd為常數(shù)，分別稱為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。 PID參數(shù)的整定方法對于一個結(jié)構(gòu)和控制規(guī)律一定的PID控制系統(tǒng)，其穩(wěn)定與否以及控制質(zhì)量的好壞主要取決于選擇的一組參數(shù)是否合理。但是，對于一定的系統(tǒng)，合理的參數(shù)組并不唯一，PID參數(shù)的整定是一項實踐性很強的、與現(xiàn)場操作經(jīng)驗密切相關(guān)的非常細致的工作。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有幾十種，在實踐中經(jīng)常使用的有：臨界比例度法、衰減曲線法、響應曲線法和湊試法。采用臨界比例度法的整定過程是：將對象與一比例控制器接成閉環(huán)，調(diào)節(jié)比例作用直至系統(tǒng)輸出出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩，記錄下臨界振蕩周期和增益，則控制器的參數(shù)可以通過查表確定。衰減曲線法的整定過程是：PID控制器設(shè)為純比例控制，從較小的比例參數(shù)開始逐步增大比例系數(shù)，直到出現(xiàn)4：1衰減過程曲線，記下此時的比例系數(shù)和衰減震蕩周期，再按照經(jīng)驗公式計算調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。響應曲線法的整定過程是：將比例系數(shù)置為1，積分系數(shù)和微分系數(shù)都置為0，得到開環(huán)系統(tǒng)的階躍響應曲線，并從該響應曲線上獲取相關(guān)的信息，最后由經(jīng)驗公式算出PID控制器的各參數(shù)。湊試法是基于控制器自身的控制行為的參數(shù)整定法，這種整定法不依賴于對象的數(shù)學模型，而是根據(jù)自身的控制行為來調(diào)整控制參數(shù)，系統(tǒng)的控制行為表現(xiàn)為偏差e和e’，PID調(diào)節(jié)器中的積分作用是對象過去受控效果的總和，比例作用是過去控制效果的現(xiàn)時表現(xiàn)，而微分作用是對未來控制作用的需求，因此湊試法是根據(jù)對象對控制作用的歷史效果、現(xiàn)時表現(xiàn)及未來需求的綜合來確定控制律，并不是由對象的具體數(shù)學模型決定的.本章的控制對象即交流調(diào)壓鼠籠式異步電動機系統(tǒng)不具有精確數(shù)學模型，主要有以下特點：在電機啟動的瞬間電流迅速增大到最大啟動電流，然后隨著轉(zhuǎn)速的上升，電流逐漸減小，最后當轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時，電流也減小到穩(wěn)態(tài)電流，而且最高電流一般為額定電流的48倍。，更加直觀的說明了被控對象的特點。正因為被控對象本身具有的特殊性，即較大的啟動電流在電機啟動過程中是維持在較短的一段時間內(nèi)，而且其穩(wěn)態(tài)電流要比最大啟動電流小得多，因此很難采用臨界比例度法、衰減曲線法、響應曲線法等方法來獲得合適的響應波形來整定PID控制器的參數(shù)，所以選擇湊試法來整定PID參數(shù)。采用湊試法的具體整定步驟：(1)首先調(diào)節(jié)KpKp、Ki和Kd為零，在使K，為某一經(jīng)驗初值的條件下，將系統(tǒng)投入運行，再根據(jù)系統(tǒng)的響應來整定K口。若曲線振蕩頻繁，則加大Kp：若曲線超調(diào)量大，且趨于非周期過程，則減小Kp，以求得較好的過渡過程曲線。經(jīng)過多次經(jīng)驗選定Kp=8。=Ki=0、Kd=O時的響應曲線。由該響應曲線可以看出，在啟動過程的絕大多數(shù)時間內(nèi)，響應值都小于給定值，即存在一定的“靜差”。=Ki=O、Kd=0時的定子電流曲線(2)引入積分作用將Ki由大到小進行整定，若曲線波動較大，則應減小Ki，若曲線偏離給定值后長時間不回來，則需增大Ki，以求得較好的過渡過程曲線。在(1)中Kp整定的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次實驗選定Ki=150。=Ki=150、Kd=O時的響應曲線，其響應曲線較之只采用比例控制的響應曲線要好一些，消除了(1)中的“靜差”。 Kp=Ki=150、Kd=O時的定子電流曲線(3)引入微分作用首先將Kd按經(jīng)驗值設(shè)置，并由小到大加入，若曲線超調(diào)量大而衰減慢，則需要增大Kd，若曲線振蕩厲害，則應減小Kd，觀察曲線，在適當調(diào)節(jié)Kp和Ki，反復調(diào)試直到得到滿意的過渡過程曲線為止。在(1)、(2)中Kp和Ki整定的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多次實驗選定Kd=O．02。圖4．5是在給定為Kp=Ki=150、Kd=0．02時的響應曲線，可以看出其曲線振蕩的幅度明顯減小，同時啟動過程的整體曲線較好，該參數(shù)也是最后整定的參數(shù)。 Kp=Ki=150、Kd=0．02時的定子電流和電流截止角曲線由于這種觸發(fā)方案采用的脈沖寬度足夠大，而且其同步信號只能依賴于電源電壓，因此能夠保證電路的可靠工作，即使出現(xiàn)干擾，電路也會在干擾消失后很快的恢復到正常工作，因此這種觸發(fā)方案是各種觸發(fā)方案中最為穩(wěn)定的一種，由這些波形可以看出整個電機啟動階段的電流都很穩(wěn)定，驗證了該觸發(fā)方案能夠保證電路可靠工作。a) A相定子電流波形和轉(zhuǎn)速波形b) A相定子電流波形和觸發(fā)脈沖波形本節(jié)的仿真結(jié)果再次驗證了第二章得出的結(jié)論。第五章 總結(jié) 三相交流鼠籠式異步電動機因其結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠和價格便宜而被廣泛應用，然而，電動機啟動時刻出現(xiàn)的啟動電流一般高出額定電流的37倍，最高可達電動機額定電流的15倍，這樣大的電流不僅加重了進線，供電電網(wǎng)和接在電動機前面的開關(guān)電器的負荷，而且同時出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩沖擊又會使電動機發(fā)生猛烈的沖擊而損壞電機的機械部分，傳統(tǒng)的降壓啟動存在一些缺點，如：降壓效果不明顯，耗能大，有機械觸點或不能平滑調(diào)節(jié)電壓等。新型的軟啟動器應運而生，其采用的電力半導體器件的開關(guān)功能實際上無磨損，并且使用壽命長，功耗小，加之微機控制技術(shù)與電力電子技術(shù)的緊密結(jié)合，可以更靈活的實現(xiàn)降壓啟動，也為電動機的恒流啟動提供了全新的思路和廣闊的空間。 盡管相對于其它的電力電子電路來所，移相式晶閘管交流調(diào)壓電路的工作原理最簡單，但在理論上的研究還不充分，一相或多相的晶閘管突然全開通，使電機變成全壓啟動，產(chǎn)生很大的啟動電流，甚至于某相的晶閘管變成了整流器，從電網(wǎng)吸收很大的直流電流，造成極大的危害。在查閱了大量文獻的基礎(chǔ)上，針對以上問題，本文對晶閘管移相交流調(diào)壓鼠籠式異步電動機軟啟動電路的觸發(fā)方案穩(wěn)定性和啟動電流的控制方面展開了深入的研究和分析。 研究了交流調(diào)壓鼠籠式異步電動機的三種工作模態(tài)：三相導通、兩相導通和三相全不通，并推到了各個模態(tài)的計算公式，即得到了交流調(diào)壓鼠籠式異步電動機在不同模態(tài)下的狀態(tài)方程模型，在推導兩相導通模態(tài)的計算公式的時候，運用坐標旋轉(zhuǎn)的方法來解耦有一定的新意。分析了三相交流調(diào)壓電路的有限狀態(tài)機模型和移相范圍，提出了交流調(diào)壓電路的觸發(fā)穩(wěn)定性問題，分析現(xiàn)有觸發(fā)方案，即電壓同步雙脈沖觸發(fā)的可靠性，確認了六路觸發(fā)電壓同步的寬脈沖觸發(fā)方案，并通過仿真和實驗驗證了結(jié)論。所做的這些工作對三相交流調(diào)壓軟啟動電路的研究和設(shè)計有一定的指導意義。根據(jù)交流調(diào)壓鼠籠式電機的啟動電流控制系統(tǒng)的特征，將PID控制器應用于該控制系統(tǒng)，給出了詳細的設(shè)計過程，并通過MATLAB進行了驗證。 參考文獻【1】 歷無咎、智能化軟起動器．低壓電器[M]．2000年第一期?！?】周希章、周全等編著．電動機的起動、制動和調(diào)速[M]．機械丁業(yè)出版社?！?】 陳伯時、陳敏遜編著．交流凋速系統(tǒng)[M]．機械工業(yè)出版社?！?】 余洪明．“軟起動”的由來和應用．電工技術(shù)雜志。【5】 許大中．交流屯機調(diào)速理論．浙江大學出版社。【6】 陶永華．新型PID控制及其應用．機械工業(yè)出版社?！?】謝秀穎、襲皓杰．單片機控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)．山東電子?！?】 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