电机软启动器的MATLAB仿真分析

第9卷第2期 兰州石化职业技术学院学报 2009年6月JournalofLanzhouPetrochemicalCollegeofTechnology

Vo.l9No.2

Jun.,2009

文章编号:1671-4067(2009)02-0032-03

电机软启动器的MATLAB仿真分析

郭 斌

(兰州石化职业技术学院电子电气工程系,甘肃兰州730060)

摘要:软启动器是一种用于控制鼠笼式异步电动机的新设备,具有传统启动方法无法比拟的优势。软启动器一般以大功率双向晶闸管构成交流调压电路,通过控制晶闸管的触发角来调节输出电压。就软启动中使用的大功率双向晶闸管三相交流调压电路的特点进行分析与普通启动方式进行比较,并用MATLAB进行仿真。关键词:异步电机;软启动器;MATLAB

中图分类号:TM343 3 文献标识码:A

异步电机降压启动目前应用较为普遍的有:串电阻或串电抗启动、Y- 启动、自耦变压器降压启动等

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方法。这些传统降压启动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上启动时的矛盾,但它们只是降低启动电流冲击,并没有从本质上解决问题。近些年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和连续调节电流成为可能。为电机的启动提

[2]

供了全新的思路,从而出现了电机软启动技术。软启动器是一种用于控制电动机的新设备,集电机软起动、软停车、节能、多种保护功能于一体的新型电机控制装置。与一般降压启动相比,软启动起动时间短,改变输出电压可实现恒流启动。电动机软启动器一般以大功率双向晶闸管构成交流调压电路,通过控制晶闸管的触发角来调节晶闸管调压电路的输出电压,从而实现电动机的无触点降压软启动。

定子两端电压成正比。同时在电动机启动时,由于定、转子电流比额定电流大很多,使得漏磁路中的铁磁部分发生饱和,X 1和X 2变小,启动转矩Tst与启动电流Ist变大。因此电机启动时,如果将电压直接加到定子两端,将产生极大的冲击转矩和冲击电流,对设备很不利。所以采取降低定子两端电压的方法,此时启动电流按比例减小,启动转矩按平方减小。软起动器就是根据该原理进行设计的,采用的是晶闸管交流调压电路,降低加在定子两端的电压,从而减小启动电流。然后逐渐升高电压值,使异步电动机平稳启动。

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2 软启动器的工作原理

软启动器采用了图2所示的主电路。在电源和异步电动机之间接入反并联的晶闸管(与双向晶闸管等效)调压电路。通过改变晶闸管的触发角来改变电动机定子两端电压,进而改变电机的转速和定子电流等物理量。晶闸管控制方式为相位控制,即通过控制晶闸管的导通角来达到调压的目的。

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1 电机启动控制的理论

根据电机学原理,启动时,S=1,因此启动电流和启动转矩分别为:

23 U1R r

Tst=(1)22

2 f1[(R1+R 2)+(X 1+X 2)]U1U1

Ist==(2)Zk

(R1+R 2)+(X 1 2由式(1)、式(2)可知,在转速或转差率一定时,

启动转矩与定子两端电压平方成正比,启动电流与

收稿日期:2008-03-19

基金项目:兰州石化职业技术学院科教基金(K06-2).

郭斌(男,河南焦作人,,

图1 电机软启动系统框图

郭 斌 电机软启动器的MATLAB仿真分析

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图2 电机软启动系统主电路

图3 电机定子绕组串电抗降压启动电路仿真图

3 软启动器负载端电压的MATLAB仿真计算

根据电压有效值定义,软起动器的交流调压电路输出电压(频率为50Hz)的有效值为:

U0=

2 UA( t)d( t)(3)(4)

式中UA=2sin t

稍作变化,得到:

U0=

/ 2

(5) / (2sin t)d( t)[5]

给出MATLAB运算程序:

symsU2U02U01U0aphaomega;tT=1/50;omega=100*p;iu=sqrt(2)*U2*sin(omega*t);

U0=1/(pi/omega)*int(u^2,,tapha/omega,pi/omega);

U0=simple(U0);U0=U0^(1/2)程序运行后得到:

U0=((pi+cos(apha)*sin(apha)-apha)*U2^2/pi)^(1/2)

(6)

当 =30 时,利用程序计算出电压:symsU2U0apha;

U0=((pi+cos(apha)*sin(apha)-apha)*U2^2/pi)^(1/2);

U0=subs(U0,[aphaU2],[pi/6220])结果是U0=216.805V。利用以上程序,如a=450,U0=209.7692V;a=600,U0=197.3265V。由此可见通过控制晶闸管的导通角达到了调压的目的。

即U0=U2

图3是电机定子绕组串电抗降压启动电路仿真[6]

图,由电源模块、电机模块、常量输入模块、有效测量模块、电压/电流测量模块、示波器、RL组成。

模块参数设定:1)电机模块:5HP;2)电源模块: Peakamplitude 设置为220*sqrt(2);3)常量输入模块:设置为11.87(电机转矩);4)其它模块采用默认设置。

设置仿真开始时间为0s,结束时间为1s,采用Ode23tb算法。

Simulink仿真结果,如图4所示。

(a)电流波形

(b)转矩波形

图4 电机定子绕组串电抗降压启动电流、转矩波形

4 软启动的优点分析

分别选取电机定子绕组串电抗降压启动电路与

软启动电路利用MATLAB内Simulink搭建模型进行仿真分析。

5

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兰州石化职业技术学院学报 2009年

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图5是电机软启动电路仿真图,由电源模块、电机模块、六脉冲触发模块、常量输入模块、有效测量模块、电压/流测量模块、示波器、晶闸管、回馈控制部分(由选路器、放大器、阶跃信号模块、增益模块、信号求和模块组成)组成。

模块参数设定:1)电机模块:5HP;

2)电源模块: Peakamplitude 设置为220*sqrt(2);

3)常量输入模块:设置为11.87(电机转矩);4)六脉冲触发模块: Pulsewidth(degrees) 设置为10; Frequencyofsynchronizationvoltages 设置为50;

5)其它模块采用默认设置。设置仿真开始时间为0s,结束时间为0.5s,采用Ode23tb算法。

Simulink仿真结果如图6所示:

通过仿真波形和实时数字显示模块的读数可

知:串电抗器降压启动瞬间,产生较大的冲击量(其中电流约为稳定时的5倍,转矩为稳定时的7倍),过程变化突然,其中转矩出现两次变化。软启动瞬间,产生的冲击明显减弱(电流约为稳定时的3倍,转矩为稳定时的4倍),变化趋于平缓,且转矩未出现两次变化,有利于系统稳定和设备保护。

5 结束语

启动电流和启动转矩是体现异步电动机启动性能最重要的两个因素。因此在电机的启动过程中,如何降低起动电流,减小冲击成为电机启动控制的关键。电动机软启动器以大功率双向晶闸管构成交流调压电路,通过控制晶闸管的触发角来调节晶闸管调压电路的输出电压,很方便的实现了电动机的无触点降压软启动。软启动器从本质上解决了传统启动设备存在一些固有的缺点,具有传统启动方法无法比拟的优势。参考文献:

[1] 胡红明.分级交-交变频高转矩启动器原理和仿真

[J].电气传动,2009(2):16.

[2] 刘红樱.异步电机软启动器设计[J].机电工程,2007,

24(3):74-76.[3] 周定颐.电机及电力拖动[M].北京:机械工业出版

社,2005.

[4] 江友华.重载软启动器的设计与分析[J].电力电子技

术,2009,(2):36-37.

[5] 邢晓琳,曹延芬.MATLAB软件在法兰优化设计中的应用[J].兰州石化职业技术学院学报,2007,(3):19-20 [6] 黄忠霖.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京: