【導(dǎo)讀】本課題設(shè)計(jì)的目的是為了給鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)產(chǎn)品的開發(fā)做一個(gè)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(dòng)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(gè)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(duì)交流調(diào)壓鼠籠電機(jī)的啟動(dòng)電流實(shí)施控制，并利用Matlab／Simulink工具箱建立電機(jī)模型，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了仿真。從電機(jī)發(fā)展至今，三相交流異步電動(dòng)機(jī)得到了極其廣泛的應(yīng)用。但是隨著其性能的不斷提高，它在啟動(dòng)過程中存在的諸多問題也不斷的被暴露出來，尤其是對(duì)于大功率的三相交流異步電動(dòng)機(jī)來說其弊端則更顯突出。首先，三相交流異步電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，通?？梢赃_(dá)到額定電流的10--20倍，當(dāng)較大的啟動(dòng)電流流過電機(jī)繞組時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這樣就會(huì)使電機(jī)繞組元件的老化速度大大加快，從而導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)使用壽命的大大縮短。

　　

【正文】 好和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，且PID算法原理簡(jiǎn)明，參數(shù)物理意義明確，是一種公認(rèn)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(gè)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(jī)的啟動(dòng)電流的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4．1所示。圖中的被控對(duì)象為交流調(diào)壓電路和鼠籠式異步電機(jī)，輸入量c為系統(tǒng)給定，即為電機(jī)最大啟動(dòng)電流的設(shè)定值。控制的理想目標(biāo)為：在電機(jī)的啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)電流保持在該設(shè)定值，即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的恒流啟動(dòng)。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(duì)于一個(gè)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(duì)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(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的、與現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)的非常細(xì)致的工作。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有幾十種，在實(shí)踐中經(jīng)常使用的有：臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法和湊試法。采用臨界比例度法的整定過程是：將對(duì)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(shí)的比例系數(shù)和衰減震蕩周期，再按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算調(diào)節(jié)器的各參數(shù)值。響應(yīng)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(yīng)曲線，并從該響應(yīng)曲線上獲取相關(guān)的信息，最后由經(jīng)驗(yàn)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(duì)象的數(shù)學(xué)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(duì)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(shí)表現(xiàn)，而微分作用是對(duì)未來控制作用的需求，因此湊試法是根據(jù)對(duì)象對(duì)控制作用的歷史效果、現(xiàn)時(shí)表現(xiàn)及未來需求的綜合來確定控制律，并不是由對(duì)象的具體數(shù)學(xué)模型決定的.本章的控制對(duì)象即交流調(diào)壓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)不具有精確數(shù)學(xué)模型，主要有以下特點(diǎn)：在電機(jī)啟動(dòng)的瞬間電流迅速增大到最大啟動(dòng)電流，然后隨著轉(zhuǎn)速的上升，電流逐漸減小，最后當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)，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(duì)象的特點(diǎn)。正因?yàn)楸豢貙?duì)象本身具有的特殊性，即較大的啟動(dòng)電流在電機(jī)啟動(dòng)過程中是維持在較短的一段時(shí)間內(nèi)，而且其穩(wěn)態(tài)電流要比最大啟動(dòng)電流小得多，因此很難采用臨界比例度法、衰減曲線法、響應(yīng)曲線法等方法來獲得合適的響應(yīng)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(yàn)初值的條件下，將系統(tǒng)投入運(yùn)行，再根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)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(yàn)選定Kp=8。=Ki=0、Kd=O時(shí)的響應(yīng)曲線。由該響應(yīng)曲線可以看出，在啟動(dòng)過程的絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，響應(yīng)值都小于給定值，即存在一定的“靜差”。=Ki=O、Kd=0時(shí)的定子電流曲線(2)引入積分作用將Ki由大到小進(jìn)行整定，若曲線波動(dòng)較大，則應(yīng)減小Ki，若曲線偏離給定值后長(zhǎng)時(shí)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(shí)驗(yàn)選定Ki=150。=Ki=150、Kd=O時(shí)的響應(yīng)曲線，其響應(yīng)曲線較之只采用比例控制的響應(yīng)曲線要好一些，消除了(1)中的“靜差”。 Kp=Ki=150、Kd=O時(shí)的定子電流曲線(3)引入微分作用首先將Kd按經(jīng)驗(yàn)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(yīng)減小Kd，觀察曲線，在適當(dāng)調(diào)節(jié)Kp和Ki，反復(fù)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(shí)驗(yàn)選定Kd=O．02。圖4．5是在給定為Kp=Ki=150、Kd=0．02時(shí)的響應(yīng)曲線，可以看出其曲線振蕩的幅度明顯減小，同時(shí)啟動(dòng)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(shí)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(hào)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(huì)在干擾消失后很快的恢復(fù)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(gè)電機(jī)啟動(dòng)階段的電流都很穩(wěn)定，驗(yàn)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(yàn)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(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠和價(jià)格便宜而被廣泛應(yīng)用，然而，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)刻出現(xiàn)的啟動(dòng)電流一般高出額定電流的37倍，最高可達(dá)電動(dòng)機(jī)額定電流的15倍，這樣大的電流不僅加重了進(jìn)線，供電電網(wǎng)和接在電動(dòng)機(jī)前面的開關(guān)電器的負(fù)荷，而且同時(shí)出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩沖擊又會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)生猛烈的沖擊而損壞電機(jī)的機(jī)械部分，傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)存在一些缺點(diǎn)，如：降壓效果不明顯，耗能大，有機(jī)械觸點(diǎn)或不能平滑調(diào)節(jié)電壓等。新型的軟啟動(dòng)器應(yīng)運(yùn)而生，其采用的電力半導(dǎo)體器件的開關(guān)功能實(shí)際上無磨損，并且使用壽命長(zhǎng)，功耗小，加之微機(jī)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(shí)現(xiàn)降壓?jiǎn)?dòng)，也為電動(dòng)機(jī)的恒流啟動(dòng)提供了全新的思路和廣闊的空間。 盡管相對(duì)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(jiǎn)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(jī)變成全壓?jiǎn)?dòng)，產(chǎn)生很大的啟動(dòng)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(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)以上問題，本文對(duì)晶閘管移相交流調(diào)壓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)電路的觸發(fā)方案穩(wěn)定性和啟動(dòng)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(dòng)機(jī)的三種工作模態(tài)：三相導(dǎo)通、兩相導(dǎo)通和三相全不通，并推到了各個(gè)模態(tài)的計(jì)算公式，即得到了交流調(diào)壓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)在不同模態(tài)下的狀態(tài)方程模型，在推導(dǎo)兩相導(dǎo)通模態(tài)的計(jì)算公式的時(shí)候，運(yùn)用坐標(biāo)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(jī)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(rèn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)論。所做的這些工作對(duì)三相交流調(diào)壓軟啟動(dòng)電路的研究和設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)交流調(diào)壓鼠籠式電機(jī)的啟動(dòng)電流控制系統(tǒng)的特征，將PID控制器應(yīng)用于該控制系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程，并通過MATLAB進(jìn)行了驗(yàn)證。 參考文獻(xiàn)【1】 歷無咎、智能化軟起動(dòng)器．低壓電器[M]．2000年第一期?！?】周希章、周全等編著．電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速[M]．機(jī)械丁業(yè)出版社?！?】 陳伯時(shí)、陳敏遜編著．交流凋速系統(tǒng)[M]．機(jī)械工業(yè)出版社。【4】 余洪明．“軟起動(dòng)”的由來和應(yīng)用．電工技術(shù)雜志?！?】 許大中．交流屯機(jī)調(diào)速理論．浙江大學(xué)出版社?！?】 陶永華．新型PID控制及其應(yīng)用．機(jī)械工業(yè)出版社。【7】謝秀穎、襲皓杰．單片機(jī)控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)．山東電子?！?】 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本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師韓如成老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到設(shè)計(jì)的最終完成，韓老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向韓老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。