维普资讯 http://www.cqvip.com 第３６卷第３期 Ｖ＿０ｌ－３６ Ｎｏ．３ 河北工业大学学报 ２００７年６月 Ｊｕｎｅ ２００７ ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＨＥＢＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ０Ｆ ＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ 文章编号：１００７－２３７３（２００７）０３—００３８—０５ 基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ感应电动机恒流软起动的仿真研究 杜江，杜太行，黎霞，张长勇 （河北工业大学电气与自动化学院，天津３００１３０） 摘要 采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件系统及其电气系统模块库对感应电动机恒流软起动进行了仿真研究．建立了完 整的仿真系统模型，阐述了模型中重要模块的组成：Ｚ＿ｒ－作原理，给出了仿真结果，并与实验结果进行了比较，结 果表明了仿真系统的正确性和实际应用价值． 关键词感应电动机；软起动；仿真；恒流；模块 ＴＭ３４３ 文献标识码Ａ 中图分类号Ｔｈｅ ＳｔｕｄＶ ｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｏｆｔ—ｓｔａｒｔｉｎｇ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＩＭＵＬＩＮＫ ＤＵ Ｊｉａｎｇ，ＤＵ １１ａｉ—ｈａｎｇ，ＬＩ Ｘｉａ，ＺＨＡＮＧ Ｃｈａｎｇ—ｙｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｅｂｅｉ Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１３０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔｉｎｇ ｆｏｒ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｕｓｉｎｇ ｓｉｍｕｌｉｎｋ （Ｍａｔｌａｂ）ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂｌｏｃｋｓｅｔ．Ｔｈｅ ｆｕｌｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ ｃｏｎｓｉｔｔｕｔｅ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｍａｉｎ ｍｏｄｕｌｅｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ、Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕＲ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕＲ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｎｄ ａｐｒａｃｔｉｃｅ ｖａｌｕｅ ａｒｅ ｔｅｓｔｉｉｆｅｄ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ；ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｔａｎｔ－ｃｕｒｒｅｎｔ；ｍｏｄｅｌ ０ 引言 感应电动机以其结构简单性能良好被广泛的应用于各行各业，感应电动机直接起动时，其起动电流 可达５～７倍的额定电流，造成对生产机械和电网的冲击，随着生产规模的不断扩大，越来越多的电动 机投入到实际工作中，为此不论是电网还是生产工艺对感应电动机起动性能的要求越来越高．目前国内 外都十分重视三相感应电动机软起动的研究与开发［１－４］．软起动方式比较多，其中以晶闸管为功率元件 的软起动最具代表性，代表着软起动的发展方向．鉴于仿真研究感应电动机软起动的文献很少，本文利 用ＭＡＴＬＡＢ软件的动态仿真工具Ｓｉｍｕｌｉｎｋ构建了感应电动机恒流软起动的仿真模型，并进行了实例仿 真，建模过程简便直观，仿真过程中通过改变参数可随时观察系统的动态变化，对软起动的研究与优化 提供了有利的依据，最后通过实验验证了仿真结果． １感应电动机软起动系统的结构 三相感应电动机软起动主回路如图１所示．该主电路结构简单，采用六只晶闸管反并联，电动机起 动过程中通过控制算法改变晶闸管触发角实现各种形式的软起动嘲． 恒流软起动系统线路如图２所示．同步电压采样电路确保晶闸管正确触发，电流检测电路采样电动 机起动电流有效值与给定的电流比较后，将差值信号送入触发角调节电路来调节当前的晶闸管触发角 度，确保起动电流不超过给定值，实现电动机的恒流起动． 收稿日期：２００６—１０—２３ 作者简介：杜江（１９７２一），男（汉族），博士生 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 杜江，等：基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ感应电动机恒流软起动的仿真研究 ３９ 同步电压采样 三相电源 ＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿—— 晶闸管 图１主回路原理图 图２恒流软起动系统框图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍａｉｎｃｉｒｃｕｉｔ Ｆｉｇ．２ Ｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔｉｎｇ ２恒流软起动控制系统建模 图３为应用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立的感应电动机恒流软起动系统的仿真模型．其主要由７个部分组成． 、 、 构成了三相交流电源，电压测量模块Ｖｌ、 、 用来检测电源同步电压信号 ，ｐｌｕｓｅ 组成触发 脉冲形成子系统，３个晶闸管模块子系统Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒｓ１．３，笼型感应电动机模块，电机测量模块以及软起 动控制子系统． 一 图３恒流软起动系统仿真模型 Ｆｉｇ．３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔｉｎｇ 分别介绍几个重要模块的组成和原理． 晶闸管模块内部结构如图４所示，以Ａ相为例，包 含两个反并联的单向晶闸管．考虑到感应电动机是感性 负载，设置晶闸管的参数时应注意电感量和电容量不能 设置为０或无穷大．Ｂ、Ｃ两相的晶闸管模块与Ａ相相同． 图５为一相触发脉冲形成子系统，主要由同步、锯 齿波形成和移相控制等环节组成．图中Ｉｎ 是同步电压 输入端，同步电压经延迟环节Ｒｅｌａｙｌ产生与同步电压正 图４ Ａ相晶闸管子系统模型 Ｆｉｇ．４ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ａ ｐｈａｓｅ ｔｈｙｒｉｓｔｏｒｓ 维普资讯 http://www.cqvip.com 河北工业大学学报 第３６卷 半周等宽的方波，该方波经斜率设 定Ｒａｔｅ Ｌｉｍｉｔｅ１产生锯齿波，锯齿 波与来自软起动控制子系统的移相 控制电压Ｉｎ２叠加调节锯齿波的过 ①Ｏｕｔｌ 零点，再经延迟Ｒｅｌａｙ２产生前沿可 调，后沿固定的晶闸管触发脉冲． ④ Ｏｕｔ２ 为了得到与正半周相差１８０。的负 半周的触发脉冲，图中设置了Ｇａｉｎ 环节．取值为一１，其他与正半周 图５一相晶闸管触发脉冲形成子系统模型 脉冲形成相同．软起动晶闸管的控 Ｆｉｇ．５ Ｍｏｄｅｌｆｏｒａｐｈａｓｅｔｈｙｒｉｓｔｏｒｐｕｌｓｅ 制角 的移相范围是１８０。， ＝Ｏ。 的位置定在电源电压过零的时刻．感应电动机属于电感性负载，这时控制角 与负载阻抗角 的关系 使得当０。 时晶闸管处于失控状态，即虽然控制角变化，但电压不变，并且是与电源电压相同的 正弦波．原因是感性负载电流滞后于电压，如果控制角较小时，在一只晶闸管电流尚未下降到零，而另 一只晶闸管可能已经触发但不能导通，一旦电流下降到零，如果另一只晶闸管的触发脉冲还在，则该晶 闸管立即导通，使负载上电压成为完整的正弦波，出现失控现象．所以仿真设计时采用了后沿固定在 １８０。的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发． 恒流软起动控制子系统模型如图６所示．软起动的实质是降压起动，关键在于限制起动电流，起动 过程为在某一初始起动电压作用下限制起动冲击电流，当电流开始衰减后逐步增大电压，同时使电流保 持恒定，既保证起动电流无冲击又使起动转矩不致过小，直到电压值达到额定电压，起动结束．图中起 动电流有效值反馈信号Ｉｂａｃｋ与恒流给定值Ｉｒｅｆ经过加法器比较，电流偏差送入滞环比较Ｒｅｌａｙ，当反馈 信号大于给定值，输出为０，反之为１．该信号控制选择开关Ｓｗｉｔｃｈ．Ｕｉｎｉ为初始起动电压，为直观起 见图中常数模块给出的是初始触发角，经过Ｆｃｎ（１０＊ｕ（１）／１８０）换算为起动电压，０－１０ Ｖ对应触发角 ０－１８０。．Ｕｉｎｃｒ为加速电压经过由比例积分算法与初始起动电压输入加法器．积分系数Ｇａｎｉ与积分器１／ Ｓ构成积分环节，Ｇａｉｎｌ为比例系数．为实现恒流起动设置了零阶保持器，其工作原理为，当反馈信号 大于给定值时，选择开关Ｓｗｉｔｃｈ与零阶保持器相接，保证起动电压不变等待起动电流衰减，当反馈信 号小于给定值时，选择开关Ｓｗｉｔｃｈ与加法器输出相接，实现起动电压的增大．两种状态在起动过程中 Ｆｃｎ 图６恒流软起动控制子系统模型 Ｆｉｇ．６ Ｍｏ＆ｌ ｏｆｒ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 杜江，等：基于ＳＩＭＵＬＩＮＫ感应电动机恒流软起动的仿真研究 ４１ 交替转换保证恒流起动．选择开关Ｓｗｉｔｃｈ的输出，经限幅输出给触发脉冲形成子系统得到移相电压，继 而触发晶闸管，实现恒流软起动． ３仿真与实验 以一台实际的感应电动机为例进行了仿真，电机参数如下：额定功率４ｋＷ，额定电压３８０Ｖ，额定 电流为９．３ Ａ，定子电阻Ｒ ＝２．６１ Ｑ，转子折算电阻 ＝１．７５ Ｑ，铁耗等效电阻Ｒ ＝５．２９１ Ｑ，定、转子 互感 ＝０．２９８ Ｈ，定、转子漏电感Ｌ ＝ ＝０．０３３４ Ｈ，转动惯量Ｊ＝０．０４０８ ｋｇ・ｍ２，极对数Ｐ＝２．恒电 流设定为３倍额定电流左右，取为３Ｏ Ａ．加速电压设定为３，比例常数取０．０６，积分常数取０．０８，初始 触发角设为１０８。，电机负载率为３０％．因为模型中包含非线性模块，仿真算法选择变步长ｏｄｅ１５ ｓ（可 变阶次的数值微分算法，属于多步阶法），其他值选用缺省参数． 图７显示了同一电动机直接起动和恒流软起动相电流有效值的变化情况．图８为同一电动机直接起 动和恒流软起动相电流瞬时值波形．由图７可见， 直接起动时瞬时冲击电流大，很容易对电动机、拖 动设备及电网造成损害．而软起动时电流平稳增长 到设定恒流值时保持不变直到起动结束，避免了瞬 《 ５Ｏ ４Ｏ ∞∞如３Ｏ ＼ 时冲击电流带来的不利影响．通过仿真可知，改变 比例常数和积分常数可调节起动电流的上升变化率 ２Ｏ 同时与加速电压一起影响起动时间的值，恒流设定 值也影响起动时间的长短．若恒流设定值选择过大 则软起动效果不明显，同时影响起动时间过长电流 谐波量增大，成为不利影响，在实际设计、应用软 起动器时应加以注意，根据不同的负载量选择起动 时间和起动电流倍数． １Ｏ Ｏ 图７直接起动和软起动相电流有效值的波形曲线 Ｆｉｇ．７ Ｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔｖｉｒｔｕａｌｖａｌｕｅ ｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｒｅｃｔａｎｄ ｓｏｆｔｓｔａｒｔｉｎｇ 在仿真分析的基础上根据仿真的结果和结论，在实验室以４ｋＷ感应电动机带动３ ｋＷ直流发电机进 行了恒流软起动实验，初始触发角和电机负载率与仿真设定相同．恒流软起动相电流实验波形如图９所 示．实验结果和图８仿真结果基本一致，说明上述感应电动机仿真模型及仿真结果均是正确的． １ ｔ／Ｓ １．５ ２ ２．５ ａ）直接起动 图８直接起动和软起动相电流波形 Ｆｉｇ．８ Ｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ａｎｄ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｂ）软起动 维普资讯 http://www.cqvip.com ４２ 河北工业大学学报 第３６卷 ４结束语 本文应用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真工具对感应电动机恒流软起 动控制系统进行了建模，并通过实例进行了仿真，通过 实验验证了仿真模型与仿真波形的正确性．所建立的仿 真模型思路清晰，可操作性强，所有参数均可在线调 整，通过测量器与示波器能够实时跟踪对仿真结果进行 全面的观察和分析．通过该仿真模型可以加深对软起动 的理解，指导实际应用．仿真结果对软起动控制策略和 设计有实际参考价值，文中论述的内容具有一定的实际 意义． ０．５ Ｓ／格 图９软起动相电流实验波形 Ｆｉｇ．９ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅ ｏｆｓｏｆｔ ｓｔａｒｔｉｎｇ 参考文献： ［１】Ｇｕｒｋａｎ Ｚｅｎｇｉｎｏｂｕｚ，Ｉｓｉｋ Ｃａｄｉｒｅｉ，Ｍｕａｍｍｅｒ Ｅｒｍｉｓ．Ｓｏｆｔ Ｓｔａｒｔｉｎｇ ｏｆＬａｒｇｅ Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ Ｍｏｔｏｒｓ ａｔ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｉｔｈ Ｍｉｎｉｍｉｚｅｄ Ｓｔａｒｔｉｎｇ Ｔｏｒｑｕｅ Ｐｕｌｓａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｉｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００１，３７（５）：１ ３３４—１ ３４７． ［２】Ｊｏｈｎ Ａ Ｋａｙ，Ｒｉｃｈａｒｄ Ｈ Ｐａｅｓ，Ｇｅｏｒｇｅ Ｓｅｇｇｅｗｉｓｓ．Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｈｅ Ｃｏｎｔｔｒｏｌ ｏｆＬａｒｇｅ Ｍｅｄｉｕｍ－Ｖｏｌｔａｇｅ Ｍｏｔｏｒｓ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｉｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０００，３６（６）：１ ６８８—１ ６９６． ［３】甘世红，褚建新，顾伟．基于开关变压器的中压异步电动机软起动器［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（１６）：１５３—１５７． ［４］吕广强，纪延超，俞红祥．基于自关断器件的新型软起动［Ｊ］．中国电机工程学报，２００４，２４（５）：１４１—１４７． ［５】贾贵玺，徐伟，张方．电子式感应电机的软起动过程［Ｊ］．天津大学学报，２００５，３８（１）：１８—２１． ［６】黄永安，马路，刘慧敏．ＭＡＴＬＡＢ７．０／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ６．０建模仿真开发与高级工程应用［Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００５． 电气与自动化学院邀请北京交通大学郑琼林教授作学术报告 北京交通大学电气学院院长郑琼林教授应我校电气与自动化学院邀请，于２００７年６月１２日在科技 楼作了题为“电力电子技术与现代轨道交通”的学术报告．报告内容丰富，受到广大师生欢迎． （学摘） 香港大学高炬教授来我校讲学 应材料学院邀请，香港大学高炬教授于２００７年６月２１日来我校讲学． 高炬：香港大学物理系教授，博士．中科院北京物理所客座教授，南京大学物理系客座教授，华东 理工大学客座教授． 研究领域：钙钛矿氧化物薄膜与器件的制备及其性能结构，新型隔断和保护涂层． 研究成果：发表论文２４０篇，其中国际学术刊物２２２篇，学术专著３部．根据ＳＣＩ检索，近１０年 来，论文被引次数大于１０００次，单篇大于１３０次．１９９２年受聘于香港大学，创建并主管薄膜实验室， 主要致力于超导薄膜和超导约瑟夫森结型器件的研究． （学摘）