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內容簡(jiǎn)介：異步電機軟起動(dòng)系統的仿真模型為應用Simulink建立的異步電機軟起動(dòng)系統的仿真模型。它主要由三相交流電壓源、同步、脈沖發(fā)生、三相交流調壓、電機及測量、電流反饋和起動(dòng)控制等環(huán)節封裝模塊組成，結構劃分與異步電機軟起動(dòng)系統原理圖基本一致。

　　基于MATLAB的異步電機軟起動(dòng)過(guò)程的仿真黃劭剛2，黃華高\季國瑜2（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310027；2.南昌大學(xué)，江西南昌330029）闡述了軟起動(dòng)主要環(huán)節模塊的處理，建立了完整的仿真系統模型，最后給出仿真結果，實(shí)例驗證。
　　1前言異步電機應用十分廣泛，隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，在許多場(chǎng)合，人們對異步電機的起動(dòng)性能也水漲船高。
　　在現有的諸多起動(dòng)方，軟起動(dòng)以其控制方便、可反饋閉環(huán)控制、平滑性好等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，倍受青睞，國內的開(kāi)發(fā)研究方興未艾。對異步電機軟起動(dòng)進(jìn)行仿真研究無(wú)疑具有重要意義，傳統使用Folran或C語(yǔ)言建模編程仿真方法存在著(zhù)一些明顯缺點(diǎn)：編程效率不夠高，程序調試比較煩，做動(dòng)態(tài)特性曲線(xiàn)不太方便。由于軟起動(dòng)系統包括電路、電力電子、電機、控制等多個(gè)環(huán)節，更增加了傳統方法仿真的困難。
　　近幾年，特別是1998年Matlab5.2新增加了電氣系統模塊庫（PowwSystemBlockset）后，在我國應用Matlab進(jìn)行電氣仿真異軍突起，而在此之前，Matlab主要在控制領(lǐng)域被廣泛使用。電氣系統模塊庫以Matlab下的Simulk動(dòng)態(tài)系統建模仿真軟件為運行環(huán)境，涵蓋了電路、電力電子、電機等電工學(xué)科中常用的基本元件和系統的仿真模型，模塊的使用與常規Simulink模塊類(lèi)似。本文就在電氣系統模塊庫基礎上，利用Matlab建立異步電機軟起動(dòng)系統仿真模型，進(jìn)行仿真。
　　2異步電機軟起動(dòng)軟起動(dòng)器是在電動(dòng)機調速裝置的基礎上逐步發(fā)展起來(lái)的，也稱(chēng)作減壓起動(dòng)器（SSRVS）。它采用了晶閘管功率元件（SCR）構成的三相交流調壓電路，通過(guò)控制晶閘管功率元件的導通角，使施加于電動(dòng)機的電壓自動(dòng)逐步升高，電動(dòng)機從停止狀態(tài)向運行狀態(tài)逐步加速，最終主回路原理圖在額定電壓下穩定運行，主電路基本原理圖如所示。
　　軟起動(dòng)系統線(xiàn)路原理如所示。
　　控制回路大體由電壓同步信號采樣及處理電路、信號檢測電路、起動(dòng)控制電路、保護控制電路以及移相控制電路等組成。
　　采樣及處理電路為移相控制觸發(fā)脈沖的基準，確保觸發(fā)脈沖相位與主回路電壓相位之間的精度。
　　信號檢測電路檢測電流大小、功率因數角等信號，提供限流控制及保護動(dòng)作的依據。
　　軟起動(dòng)核心和關(guān)鍵所在。選擇合理的控制策略，實(shí)現軟起動(dòng)。
　　軟起動(dòng)系統線(xiàn)路原理進(jìn)行過(guò)流、斷相、相序、過(guò)熱等保護，保證電機安全可靠工作。
　　發(fā)出移相信號控制觸發(fā)角的大小，以改變晶閘管的開(kāi)通程度，實(shí)現電動(dòng)機輸入電壓的調節。
　　3軟起動(dòng)仿真3.1異步電機數學(xué)模型異步電機數學(xué)模型是一個(gè)高階、非線(xiàn)性、強耦合的多變量系統，其在二相旋轉坐標系的d-q模型為：轉矩方程運動(dòng)方程L丨方程中帶有（’）的量表示從定子側看過(guò)去的轉子折算量。
　　Matlab電氣系統模塊庫中提供的異步電機模型就是基于轉子旋轉坐標系的d-q模型，它的標準形式的模塊（Asy-chiomousMachineSIUnits）如所示，輸入A、B、C和輸出a、b、分別對應定子和轉子的三相線(xiàn)路連接，模塊內部定子和轉子的三相繞組都設定為星形接法，中性點(diǎn)不能為外部所用，標準形式異步電機模塊專(zhuān)用多路轉換分解器轉子的輸出通常直接短接或者也可和外部電路相連。Tm為電機負載轉矩輸入，mS1為含有20個(gè)電機量的矢量輸出，與此同時(shí)，模塊庫中提供了專(zhuān)用的多路轉換分解器（ASMMeasurementDemux）（），用于分離輸出電機的各種量值，如定、轉子三相電流、電機轉速、電磁轉矩等，這些輸出可用仿真示波器直接予以觀(guān)測。
　　3.2異步電機軟起動(dòng)系統的仿真模型為應用Simulink建立的異步電機軟起動(dòng)系統的仿真模型。它主要由三相交流電壓源、同步、脈沖發(fā)生、三相交流調壓、電機及測量、電流反饋和起動(dòng)控制等環(huán)節封裝模塊組成，結構劃分與異步電機軟起動(dòng)系統原理圖基本一致。脈沖發(fā)生子系統模塊、起動(dòng)控制子系統模塊和其他模塊相比，模塊名稱(chēng)前多加了一個(gè)‘’符號，這是由于在仿真初始化過(guò)程中，Simulink內部有一函數（powei2sys）逐一檢查模型中各模塊是否為電氣系統模塊，若是，則進(jìn)行轉換，反之不用轉換，為了避免檢查Simulink常規模塊，以加快仿真速度，Simulink規定可在子系統模塊名前加一‘’，但必須確保子系統內全為Simulink常規模塊，以上提到的兩個(gè)子系統模塊就符合這個(gè)條件。
　　下面就對如何建立這幾個(gè)主要環(huán)節模塊作一討論：電氣系統模塊庫中只提供單相電源，而沒(méi)有現成的三相交流電源模塊，我們可使用三個(gè)單相交流電源按星形連接，通過(guò)設定正確的相位順序和幅值關(guān)系，簡(jiǎn)單地加以組合構成，并封裝成模塊，運用時(shí)只需直接設定此模塊三相交流電源的線(xiàn)電壓與頻率。內部結構如所示。
　　同步環(huán)節模塊和三相橋式整三相交流電壓源異步電機軟起動(dòng)仿真模型流電路不同，三相交流調壓電路的控制角a= 0的點(diǎn)定在各相電壓過(guò)零點(diǎn)，因而同步信號應取電源相電壓信號，而不是線(xiàn)電壓。其內部模型如，含有三個(gè)輸入端口，三個(gè)輸出端口。由于電氣系統模塊本質(zhì)上同常規Simulink模塊是有區別的，涉及到兩類(lèi)模塊之間的信號流動(dòng)，必須使用中間接口模塊，因而根據性質(zhì)，這里使用了電壓測量模塊作為輸入電氣信號和輸出Simulink信號的中間接口。
　　電氣系統附加模塊庫（P（we-中給出了一同步六脈沖發(fā)生器可以滿(mǎn)足一般要求，當然，也可根據實(shí)際需要，按照同步脈沖產(chǎn)生的機理，利用Simulink常規模塊自行構建此環(huán)節模塊。本仿真模型系統中，使用的是在上述庫中同步六脈沖發(fā)生器模塊基礎上加以改造后的模塊，采用寬脈沖觸發(fā)，限于同步環(huán)節模塊篇幅在此省去內部模型圖。
　　實(shí)際應用的軟起動(dòng)系統，通常是采用電流互感器取得反饋信號，經(jīng)整流、濾波等信號處理環(huán)節，以獲得如實(shí)反映起動(dòng)電流（一般為有效值）的信號，實(shí)現起來(lái)并不簡(jiǎn)單，而在仿真建模中，卻可輕易獲取起動(dòng)電流的有效值，因為也是在附加模塊庫中，測量子庫（MeasuremaUs）提供了有效值，測量模塊（RMS）可直接加以利用，十分方便。
　　軟起動(dòng)本質(zhì)是降壓起動(dòng)，關(guān)鍵在于限制起動(dòng)電流。實(shí)現的過(guò)程是起動(dòng)電壓由某一給定電壓值逐步升高，至所給定的限制電流之后保持恒定，在此恒定起動(dòng)電壓下過(guò)高的電流開(kāi)始衰減后，起動(dòng)電壓再繼續上升，如此這般最終達到額定全壓。據此建立的封裝模塊內部模型如所示，輸入的電流反饋信號iback和限流給定值iref通過(guò)加法器進(jìn)行比較，電流偏差經(jīng)滯環(huán)比較（Relay），若反饋信號大于給定值，輸出為0，反之則輸出為1.電壓上升速率控制uincr值與滯環(huán)輸出相乘后，通過(guò)一積分環(huán)節，產(chǎn)生值由0按上升斜率為其乘積值線(xiàn)性遞增的信號，乘積值為0時(shí)，積分環(huán)節輸出即保持原有值不變。起動(dòng)電壓起始給定值uini和積分輸出值比較，偏差經(jīng)一飽和環(huán)節（Saturation）限制輸出值范圍，送至輸出端。uini和飽和輸出范圍的取值都表示觸發(fā)角a的大小。
　　三相交流調壓環(huán)節模塊三相交流調壓環(huán)節是異步電機軟起動(dòng)特點(diǎn)所在，內部模型如，由脈沖發(fā)生環(huán)節輸出的脈沖經(jīng)選擇器Selector和多路信號分解器Demux如圖供給各晶閘管，確保它們之間的觸發(fā)順序。從電氣系統模塊庫電力電子子模塊庫中選取6個(gè)晶閘管模塊（Thristor），連接構成三對雙向反并聯(lián)晶閘管電路，為避免產(chǎn)生代數回路（algebraicloop），晶閘管元件參數Lon可設得足夠小，但不能為0，考慮到帶電機這一感性負載，需設定Rs和Cs，為不影響仿真合理性，Rs可取大阻值（如1e6），Cs可取inf，其余參數按實(shí)際情況選取。
　　三相交流調壓環(huán)節模塊3.3仿真結果與實(shí)驗結果利用上述仿真模型，對“道爾”戰車(chē)用75IKW變頻機組的異步電機軟起動(dòng)系統空載起動(dòng)進(jìn)行了仿真（限流有效值400A）。數值仿真算法：ode15s，相對誤差：1e- 3，絕對誤差：1e-3.由于該軟起動(dòng)系統的起動(dòng)時(shí)間比較長(cháng)（約需半分鐘），整個(gè)起動(dòng)過(guò)程的波形不便給出，為清楚起見(jiàn)，分別抽取起動(dòng)初始階段、限流中間階段和起動(dòng)結束階段的局部起動(dòng)電流波形放大顯示，相應的實(shí)驗波形也同時(shí)列出，以作對照（0）。
　　從0我們可以看出，仿真波形和實(shí)驗波形基本吻合。
　　（a）起動(dòng)初始段仿真電流波形（a）起動(dòng)初始段實(shí)驗電流波形（b）限流階段局部仿真電流波形（1/）限流階段局部實(shí)驗電流波形（c）起動(dòng)結束段仿真電流波形（c）起動(dòng)結束段實(shí)驗電流波形0仿真波形和實(shí)驗波形4結論本文針對異步電機軟起動(dòng)系統，利用Matlab/Simulink和電氣系統模塊庫建立其仿真模型，仿真高效、準確、直觀(guān)，為后續深入分析研究奠定了基礎，同時(shí)，仿真模型中建立的子系統模塊具有一定和借鑒價(jià)值，并且可以方便地移植拷貝，減少了今后相關(guān)領(lǐng)域的仿真研究的重復工作量。

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