【正文】 第3章 起動(dòng)電路的建模與仿真 交流調(diào)壓鼠籠式電機(jī)的仿真模型的構(gòu)造方法，包括“Power System模型”的構(gòu)造方法、“M文件模型”的設(shè)計(jì)方法以及“狀態(tài)流模型”的構(gòu)造方法。通過(guò)和圖2．，電壓同步寬脈沖觸發(fā)方案得到的整個(gè)鼠籠式電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段的電流波形都很穩(wěn)定，由此進(jìn)一步驗(yàn)證了該觸發(fā)方案能夠保證電路的可靠工作。本例是電壓同步雙脈沖觸發(fā)方案使得交流調(diào)壓軟啟動(dòng)電路工作不可靠的一個(gè)典型例子。這一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了多次雙脈沖中的第一個(gè)觸發(fā)脈沖沒(méi)有產(chǎn)生作用而第二個(gè)觸發(fā)脈沖誤觸發(fā)的現(xiàn)象。觸發(fā)角按照8050t的函數(shù)關(guān)系減小，直到減小到30。m。設(shè)定電機(jī)參數(shù)如下：n=、=、==、L=、L=、J=本文研究的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的復(fù)雜對(duì)象，由于隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷加大，其功率因數(shù)也不斷變化，要在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中滿足移相范圍的條件比在某個(gè)固定的參數(shù)下滿足該條件要困難得多。而對(duì)于六路觸發(fā)而言，即使移相角達(dá)到，脈沖也只能持續(xù)，并不會(huì)引起誤觸發(fā)。式中的和要分別取其在整個(gè)工作過(guò)程中的最大值和最小值，所以寬脈沖的標(biāo)準(zhǔn)是 ()在主回路的參數(shù)和輸出電壓均選定以后，就可以計(jì)算出式()中右側(cè)的三個(gè)參數(shù)，進(jìn)而確定所需脈沖的寬度，極限情況是：P=、在這種情況下，對(duì)于任意的，對(duì)于每個(gè)晶閘管，在它的反向并聯(lián)晶閘管電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)其觸發(fā)脈沖都依然存在，并能使之觸發(fā)導(dǎo)通，因此電流仍會(huì)連續(xù)，產(chǎn)生的實(shí)際效果相當(dāng)于產(chǎn)生的效果。因此，只有對(duì)電壓同步雙脈沖觸發(fā)方案進(jìn)行改進(jìn)，才能使異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)電路穩(wěn)定的工作。此外，這種極不規(guī)則的波形是三相不平衡的，它包含有大量不對(duì)稱的諧波，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量。 這種不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生會(huì)給電機(jī)帶來(lái)很大的危害。但電路并沒(méi)有回到原來(lái)的工作模式，新的工作模式由AB+、A+BC、A+B+C+、B+C和三相全不通五個(gè)模態(tài)組成的。輸出電流接近最大值。如果式()的左半部分不成立，即 ()就會(huì)出現(xiàn)這種不穩(wěn)定的現(xiàn)象。本章所研究的觸發(fā)穩(wěn)定性是指對(duì)于給定的主回路和觸發(fā)方案，不論外界出現(xiàn)何種干擾，電路都工作在一個(gè)事先確定的模式，使得負(fù)載上的電壓和電流波形與預(yù)期波形一致；或者在外界干擾的情況下它會(huì)暫時(shí)的改變工作模式，但在干擾消失后，又會(huì)回到原來(lái)的工作模式。從圖中可以看出，雙脈沖的兩個(gè)脈沖都起到了作用，得到了正確的電流波形。為了減少輸出電流而增加了，但如果因此引起反向并聯(lián)的晶閘管被誤觸發(fā)，導(dǎo)致得到了接近于最大值的輸出電流，這種現(xiàn)象很容易造成事故，因此移相范圍為 ()顯然，對(duì)于六路觸發(fā)方案，不存在這種反向并聯(lián)晶閘管被誤觸發(fā)的問(wèn)題，所以其移相范圍為 ()。對(duì)于三路觸發(fā)方案，反向并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管共用一組脈沖并且雙脈沖中的第二個(gè)脈沖滯后于第一個(gè)脈沖60的電度角，如果120p，那么雙脈沖的第二個(gè)脈沖出現(xiàn)在處，并且其后沿出現(xiàn)在180之后。因此交流調(diào)壓電路要求觸發(fā)脈沖要足夠?qū)挕Ｔ诤罄m(xù)的論述中我們還將對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)研究。a)三路觸發(fā)方案 b)六路觸發(fā)方案一般來(lái)說(shuō)兩種觸發(fā)方案均可使電路正常工作，但是在某些特殊的情況下六路觸發(fā)方案更為可靠。此時(shí)，對(duì)于每個(gè)晶閘管(例如Thl)雖然有兩個(gè)觸發(fā)脈沖作用，但是其反向并聯(lián)的晶閘管(例如Th4)的觸發(fā)脈沖出現(xiàn)在它的負(fù)半周，因此不產(chǎn)生作用。根據(jù)觸發(fā)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電壓同步雙脈沖觸發(fā)方案又可以分為三路觸發(fā)和六路觸發(fā)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 所謂電壓同步雙脈沖就是以電源相電壓過(guò)零點(diǎn)為同步觸發(fā)信號(hào)，由相隔60的兩個(gè)窄脈沖所組成的信號(hào)。依次類(lèi)推。 當(dāng)O或時(shí)，可以認(rèn)為是特殊情況，此時(shí)的電路在各“三相全導(dǎo)通”模式中循環(huán)切換，相當(dāng)于將電源電壓直接接到負(fù)載上時(shí)的電路工作模態(tài)。當(dāng)或時(shí)，電路是在“兩相導(dǎo)通和“三相全不通兩種模式之間交替出現(xiàn)。對(duì)于電流同步的交流調(diào)壓電路，是通過(guò)控制電流截止角來(lái)控制電壓和電流的大小，的范圍為 0 (22)實(shí)際上，當(dāng)≥120時(shí)，三相繞組已經(jīng)不可能通電了。對(duì)于電壓同步，理論上的觸發(fā)角的移相范圍為 () 很明顯，每一相電路只有在負(fù)向(正向)晶閘管電流過(guò)零后給出觸發(fā)脈沖才能對(duì)正向(負(fù)向)晶閘管產(chǎn)生作用，所以有。為了更好的實(shí)現(xiàn)控制作用，在一般情況下電流應(yīng)該是不連續(xù)的。 進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)以后，電路的狀態(tài)就沿著狀態(tài)圖中的某一條封閉曲線循環(huán)運(yùn)動(dòng)，如果把每一條封閉的曲線稱為一種工作模式，那么三相交流調(diào)壓電路有兩類(lèi)正確的工作模式，即“三相全導(dǎo)通——兩相導(dǎo)通”交替工作模式和“兩相導(dǎo)通——全關(guān)斷”交替工作模式。按照以上規(guī)則進(jìn)行分析，就可以得到三相交流調(diào)壓電路的13個(gè)可能存在的狀態(tài)，如圖2．2所示。當(dāng)電路處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，6個(gè)晶閘管將按照Thl、ThThThThTh6的順序循環(huán)導(dǎo)通觸發(fā)，并且相鄰兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻的電度角要相差60。一個(gè)由n個(gè)器件組成的電路共有2個(gè)狀態(tài)，由此構(gòu)成了2維的離散事件的狀態(tài)空間，但當(dāng)電路實(shí)際工作時(shí)不會(huì)取遍所有的狀態(tài)組合，而是沿著狀態(tài)空間的某條軌跡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)以后，就會(huì)沿著一條封閉的曲線循環(huán)的運(yùn)動(dòng)，從而建立了電路的有限狀態(tài)機(jī)模型，用它來(lái)分析三相交流調(diào)壓電路非常方便。在該電路中，采用了電子器件的開(kāi)關(guān)模型，每一個(gè)器件都只有兩種工作狀態(tài)：導(dǎo)通或截止。在開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角從“0”開(kāi)始逐漸增大，電動(dòng)機(jī)的端電壓也從零開(kāi)始上升，直至達(dá)到滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，確保了啟動(dòng)的成功。其采用三對(duì)反向并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)于電動(dòng)機(jī)的三相供電電路上，利用晶閘管的電子開(kāi)關(guān)特性，通過(guò)控制其觸發(fā)脈沖、觸發(fā)角的大小來(lái)改變晶閘管的開(kāi)通時(shí)間，從而改變電動(dòng)機(jī)定子輸入端的電壓，以達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程的目的。由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子端電壓的關(guān)系T∝U的平方、定子電流和定子端電壓的關(guān)系I∝U可知，通過(guò)改變電壓的有效值可以達(dá)到改變交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流和轉(zhuǎn)矩的目的。在電機(jī)定子三相進(jìn)線電路上串聯(lián)三個(gè)雙向晶閘管來(lái)控制電壓的雙向通斷。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動(dòng)器因?yàn)榫哂行阅芰己?、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，使得電子軟啟動(dòng)器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動(dòng)市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。將PID控制器應(yīng)用于該控制系統(tǒng)，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)過(guò)程。并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上述結(jié)論。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，并以此為準(zhǔn)分析了現(xiàn)有的觸發(fā)方案，即電壓同步雙脈沖出觸發(fā)、電壓同步寬脈沖觸發(fā)。在推導(dǎo)兩相導(dǎo)通模態(tài)的計(jì)算公式的時(shí)候，運(yùn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法來(lái)解耦有一定的新意。本文主要是為了解決鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的一些列問(wèn)題，在查閱了大量中外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)以上問(wèn)題，對(duì)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(kāi)了深入的研究和分析。(3)根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性，可自由地?zé)o級(jí)調(diào)整至最佳的啟動(dòng)電流。(2)恒流啟動(dòng)。，通過(guò)該表我們可以看出軟啟動(dòng)與傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)方式的不同之處主要有以下幾點(diǎn)：(1)無(wú)沖擊電流。在每個(gè)支路反向并聯(lián)兩個(gè)晶閘管，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角，使每?jī)蓚€(gè)工頻電源周期導(dǎo)通一個(gè)正半波和一個(gè)負(fù)半波，以產(chǎn)生頻率為25Hz電源波形；若每三個(gè)工頻電源周期選擇連續(xù)導(dǎo)通兩個(gè)正半波后再連續(xù)導(dǎo)通兩個(gè)負(fù)半波，則可產(chǎn)生頻率為50／3Hz的電源波形；而每五個(gè)工頻電源周期選擇連續(xù)導(dǎo)通三個(gè)正半波后再連續(xù)導(dǎo)通三個(gè)負(fù)半波，則可形成頻率為10Hz電源波形。 脈沖沖擊軟啟動(dòng)所謂變頻軟啟動(dòng)就是利用變頻器同時(shí)降低電源電壓和頻率，使之在得到足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的前提下有效的減少啟動(dòng)電流的啟動(dòng)方法。在脈沖恒流軟啟動(dòng)方式中的脈沖啟動(dòng)階段電流的幅值(可為全壓?jiǎn)?dòng)的電流幅值)和維持時(shí)間是可以設(shè)定的。在起動(dòng)開(kāi)始階段，讓晶閘管在極短時(shí)間內(nèi)，以較大電流導(dǎo)通一段時(shí)間后回落，再按原設(shè)定值線性上升，進(jìn)入恒流起動(dòng)。這種啟動(dòng)方式在啟動(dòng)瞬間的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，適用于較大負(fù)載的啟動(dòng)，如一些帶負(fù)載啟動(dòng)的設(shè)備。在電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)的瞬間即將電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流直接增大至所設(shè)定的電流值并保持該值直至啟動(dòng)完畢的方法，稱為階躍起動(dòng)。尤其適用于泵與風(fēng)機(jī)類(lèi)負(fù)載的啟動(dòng)。電流上升速率越大，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，起動(dòng)時(shí)間越短。如圖1．1所示。(2)斜坡恒流軟啟動(dòng)。這種起動(dòng)方式最簡(jiǎn)單，不具備電流閉環(huán)控制功能，僅靠調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之與時(shí)間按一定的函數(shù)關(guān)系增加。晶閘管軟啟動(dòng)器靈活性較強(qiáng)，用戶可以根據(jù)不同的工作情況選擇具有相應(yīng)啟動(dòng)特性的電機(jī)。晶閘管交流調(diào)壓軟啟動(dòng)是將采用反向并聯(lián)接線的晶閘管接在電動(dòng)的三相繞組上，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中通過(guò)控制晶閘管導(dǎo)通角的大小，使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流按照工作要求設(shè)定的規(guī)律變化的一種啟動(dòng)方法。雖然轉(zhuǎn)子串電阻方法能有效的抑制啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，但是與此同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的能源浪費(fèi)。這種方法是在啟動(dòng)開(kāi)始的時(shí)候，在轉(zhuǎn)子回路串入一定阻值的電阻，串入的電阻起到了分壓限流的作用。這種方法是通過(guò)可以有級(jí)調(diào)整電壓的自耦變壓器將電動(dòng)機(jī)的定子至電網(wǎng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定以后，切除自耦變壓器，并將電動(dòng)機(jī)的定子繞組直接接入供電系統(tǒng)。這種啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是操作方便，啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，應(yīng)用較為廣泛；缺點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的電壓只能分成兩級(jí)，即從l／ u到u，變化很不連續(xù)。 Y一△降壓?jiǎn)?dòng)Y一△降壓?jiǎn)?dòng)，即星形一三角形降壓?jiǎn)?dòng)，在啟動(dòng)開(kāi)始時(shí)把電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形(Y)，此時(shí)，定子每相繞組電壓為