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电动机智能软起动控制系统研究摘要异步电动机的起步电流,通常为电动机额定电流的4〜7倍,甚至更高为了满足电动机自身的起步条件,满足负载传动机械的工艺要求,以及保护电动机及相关用电设备正常工作的需要,在电动机起动过程中通常采用了软起动控制方式当前,在我国工业、农业、电力等多个领域中,普遍都采用了软起动器来起动异步电动机,从而有效避免电动机在起动和制动过程中电压、电流的急剧变化,这不仅有利于降低故障发生率,延长设备使用寿命,而且有利于整个电网的稳定、与安全运行然而,传统的软起动控制器,多数智能化水平偏低,其不仅操作复杂,而且控制算法单一,已无法满足当前我国智能电网对终端设备智能化的需要因此,本文提出了一种以三菱公司生产的FX2N-64MR-001型可编程序控制器PLC,为核心的新型智能软起动控制系统设计方案,以实现系统的智能变频控制、智能软起动、智能软停机等多项功能,并探讨了该系统的具体软硬件设计思想与实现方法关键词电动机;软起动控制;智能化;系统设计50HZ10KV220VAC380VAC该系统的主要运行原理是,由PLC控制器给出一路0〜10V的电压,用于实现对控制电路输出频率的有效控制,进而实现对交流异步电动机传动速度的改变其中,PLC控制电路输出的电压,经过控制电路将电压信号转换为相应的频率信号,并传送到HEF4752的FCT引脚中,同时由震荡发生器产生的频率信号传递到HEF4752的VCT引脚中,当两者信号对应以后,HEF4752便将恒定的输出SPWM波,用于实现电动机起动时智能化的恒压、恒频控制
4.2PLC的设计与选择PLC是Programmable logicController的缩写,即可编程控制器它是在传统顺序控制器的基础上,通过引入微电子技术、自动控制技术、计算机技术及通信技术等形成的一种新型工业控制装置PLC的特点的可靠性高、配置灵活、编程简单等,它已成为当前工、农业生产自动化中应用最为普及、应用场合最多的工业控制装置之一PLC最初源于20世纪60年代的美国汽车制造业当时是为了尽可能的减少重新设计继电器控制系统以及接线所需的费用与时间,在1969年研制开发出了世界上第一台可编程控制器,并在GM公司的汽车生产线中获得了成功应用最初的PLC控制技术,只具备简单的逻辑控制、计数功能与定时功能,主要用于取代传统的继电控制器用于生产控制近年来,随着近年来生产工艺和科学技术水平的进步,PLC控制技术的应用领域正不断延伸与扩大当前,PLC控制技术不仅可用于开关量的控制,还用于模拟量以及数字量的控制可采集与存储数据,实现对工业生产系统的实时监控,可通过通信联网功能,实现远距离、大范围的控制与管理PLC控制技术的广泛普及与应用,不仅是PLC自身特点所决定的,同样也是其技术功能不断完善的结果目前,我国已有不少的厂商研制与生产PLC产品,比较有影响力的厂商有深圳合信、上海正航、无锡信捷等同时,我国也大量使用国外的PLC产品,较为知名的国外生产厂商有日本的三菱、富士、东芝等,美国的通用电气、德州仪器等,德国的西门子,法国的施耐德,荷兰的飞利浦等在综合考虑到价格、性能、编程及配套产品等多方面因素以后,本文选用了三菱生产的FX2N-64MR-001型可编程序控制器,它不仅价格较低、可靠性高、抗干扰性强,而且体积也较小,是一种能实现多元化需求的PLC产品FX2N-64MR-001型可编程控制器,它作为三菱FX系列中技术最为先进的一个系列,其主要技术应用特点为一是节省空间与配线,其体积相当于传统ANS系列PLC的60%左右,而且通过优异模块插口的设计,能大幅度节省配线的空间与时间;二是安装灵活,功能模块强大,该PLC产品提供了多种主基板与扩展基板以方便安装,且提供了多种特殊的功能模块及相应的编程软件,从而使得编程与调试工作更加简捷方便;三是程序量大,该PLC产品的最大程序容量可扩充到16K,并能提供大量的简单指令与高速处理指令,从而方便了系统的安装与编程综合而言,FX2N-64MR-001型可编程控制器能完全满足本文所设计的电动机智能软起动控制系统各方面的功能需求在该系统中,通过采用自动控制系统中的闭环控制技术,PLC通过模拟量模块采集软起动器中的给定信号,并与转速传感器中的反馈信号进行对比,当转速反馈信号大于给定信号时,PLC控制器即发出系统减速命令,以控制电流量的迅速增大;当转速反馈信号小于给定信号时,PLC控制器则发出系统加速命令通过以上方式,将两种信号之间的差控制在一定的范围以内,从而保证系统智能限流启动与恒速运行
4.3控制电路设计本文所设计的电动机智能软起动系统,需要实现自动起动控制、停机控制、节能控制等多方面的要求这就要求必须做好系统控制电路的设计,以实现对控制的触发点与控制周期的精准定位系统的控制电路主要包括了过零检测电路、过零信号去噪电路、电压检测电路以及电流检测电路这几个部分所组成
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1.1过零检测电路的设计过零检测电路,主要由电压过零检测电路与电流过零检测电路这两部所构成,只有确保以上电路的运行良好,方能实现对电压、电流过零信息的实时检测,进而确定晶闸管导通角的大小以电压过零检测电路的设计为例,该电路主要检查电机起动过程中,交流电源的正弦电压波形由负电压转化为正电压时的过零点位置通常而言,电压过零点的位置可以为电动机起动控制提供下一个控制周期的基准时间点考虑到基准点控制的准确性,在设计时需要着重解决以下几方面问题一是在设计时,应当将该电路与微处理器连接的弱电部分,以及与380V外接电压相连接的强电部分作一定的隔离处理目前,较常采用的隔离方法主要有变压器隔离、继电器隔离以及光耦电气隔离等其中,光耦电气隔离法,不仅能使强电部分与弱电部分有效隔离,而且还能对电压过零点的实际状况进行真实反应,其效果最佳,因此在该系统中的电压过零检测电路采用了光耦隔离法二是在设计时,应尽量提高设计的精度,避免过零点因抖动而降低信号检测的准确度而解决这一问题的关键,就是在系统的电压过零检测电路中选择适宜的电路材料,本文选择光耦6N139作为电路的加载材料,其电平转化速率极快,能达到微秒级,从而有效确保了电压过零点信号提取的准确度而电流过零检测电路的设计,与电压过零检测电路相类似,本文同样采用了光耦6N139作为该电路的加载材料,以此实现对电流信号的准确提取,以及对电路弱电、强电部分的有效隔离,从而确保了电路信号的控制精度
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1.2过零信号去噪电路设计为确保电流、电压过零信号的准确,并避免其检测波形出现抖动,本文还在控制电路中设计了过零信号的去噪电路,以保证信号准确提取该电路的总体结构图,详见下图6所示图6过零信号去噪电路结构原理图该电路的运行原理是,电压过零信号与电流过零信号在提取过程中,首先通过脉冲触发器,并经过反向器后产生与过零信号相反的信号然后再将以上两种信号进行结果运算与去噪处理,从而有效避免因电源不稳定或外界干扰对过零信号准确度的影响通过该去噪电路以后,基本可以完全避免因信号准确度问题而导致智能起动控制系统出现控制失误的问题
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1.3电压检测电路设计电压检测电路的功能,主要是实时检查与监测交流异步电动机三相电压的大小,以避免因强电压过高而导致系统中微处理器的损坏该电路的设计方法主要有两种,第一种是通过功率电阻将电路测量信号降低,并利用光耦线路将信号按比例传输到微处理器中;第二种则是通过功率电阻先将测量信号降低,然而通过整流、分压、信号滤波,最终转变为微处理器可以接收的信号总体而言,第二种方法的电路设计较为简单、方便,且信号方便微处理器的接受因此该系统电压检测电路选择了第二种方案经整流后电压信号能控制在6V以内,在分压后能控制在3V以内,然后经过信号滤波处理最后传送到微处理器中
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1.4电流检测电路设计电动机软起动的最主要目的,是对启动过程较大电流进行限制,从而避免电流对电网、电动机及负载设备的冲击因此,为实现对电流的实时监测与控制,还必须设计相应的电流检测电路,以达到对电流闭环控制的目的该系统中所设计的电流检测电路,详见下图7所示图7电流检测电路结构原理图如上图所示,经过电流互感器所采集到的电流信号,再相继经过星型串联的电阻以形成电压信号,这样使得电流信号与电压信号均来自于同一参考点,确保电流信息提取的准确同时,为了降低信号采集过程中所受到的干扰,在该电路中还采用了滤波处理器将干扰信号滤除
4.4液晶显示部分设计系统的液晶显示部分,主要是实现对电动机运行过程中的电流、电压、转矩等相关工作参数实时显示,从而使电动机的运行状态更为直观,方便随时的监控与检查从准确度、经济性方面综合考虑,本文中智能软起动控制系统的显示部分,采用了国内清华蓬远公司生产的点阵图形式的液晶显示模块,其点阵数为240X128,型号为240128T在这款液晶显示模块中内藏有T6963c控制芯片,系统微处理通过与该控制芯片之间的信息传输,以实现对显示信息的实时控制该液晶显示模块,不仅提供了T6963c控制芯片、驱动器组以及显示缓冲区RAM的接口,而且还具有硬件设置液晶屏结构的特性(单/双屏),能实时的电流、电压、转矩等参数进行实时显示,从而充分满足了系统智能化控制的需要
4.5开关量输入/输出单元设计该智能软起动控制系统的开关量输入/输出单元,其主要功能是接受与输出系统操作人员的按键指示,或者接受与输出控制电路中的闭合/断开状态信号由于PLC控制器与开关量信号之间采用了光耦6N139隔离电路进行隔开,因此开关量输入/输出单元的接线图,详见下图8所示图8开关量输入/输出信号单元的接线示意图如上图所示,该系统开关量输入/输出信号单元,共包括了16个开关量输入/输出信号,主要为行程上限状态信号、行程下限状态信号、转速上限状态信号、转速下限状态信号、超温状态信号、液位检测状态信号、电机过载状态信号等等其信号的产生,一部分是由操作人员通过按键从中形成的;另一部分则是由电动机起动过程中传感器及各类开关反馈而得到的状态信号在接线图中,各输入/输出信号单元的功能如下XO、X
4、XI、X26是指行程开关的状态信号;X10是指软起动器液阻箱内的电解液温度状态信号;Xlk X
12、X
14、X15分别是指该系统中由传感器检测到液位状态信号、负载状态信号、电动机温度信号、前轴振幅信号、后轴振幅信号;X
17、X
20、X
21、X
22、X23分别是指当系统电流偏大、电压偏大或振幅偏大时的跳闸信号«E««TV cSEfl欠济妹》行万关rO SK*R fitTmwxHBM E・■Hl绘台・闫电帆tiwmmM电同r-D同Ei c=伟合霰■••»£«叟・重务■■由e•Him为t cfi・物达弘茂■・出A r-W*«£ttftW rG=2=0=本夏胜*修出B ffHW«222AC Ec=fi=^=液晶屏通过RS485可与PLC控制器之间实现通讯交流,从而实现对PLC控制器的启动、停止、加速、减速以及手动/自动控制的选择,且在液晶屏的界面中都有相应的功能按键显示,从而使系统的整个控制都非常方便、简洁
5.电动机智能软起动控制系统的软件设计在对系统硬件设计的基础上,为保障各硬件功能的顺利实现,还需要进行软件设计本文以uC/OS-II为操作系统与源代码,以MDK作为软件编译器,对该智能软起动控制系统的各项功能进行了软件程序设计,各项任务设计的执行时间及紧迫程度,详见下图9所示|数据采卷任务---------------------------------------------1麻箱扇动I控制任务k一僮局I I►RS485/232通信任务时间显示任务k厂以太网通信任务消总队列控制选择方式--------------------如莺理®可编程输入/输出任务卜।jf工业以r向疝信任务।图9软件程序设计任务图
5.1系统软件的流程设计如上图所示,该智能软起动控制系统的软件功能,需要实现软起动过程中的数据采集任务、PLC控制器的控制任务、时间显示任务、液晶显示任务(人机交互)、通信任务等几大功能部分软件系统的控制流程,详见下图10所示图10系统软件控制流程图由于本文所设计的智能软起动控制系统的功能覆盖范围较广,因此其软件程序设计也较为复杂为使该系统的整个软件程序能够结构清晰,本文利用MDK软件编译器对多个子程序进行编程,并根据每一个子程序需要实现功能的不同,将整个系统的软件部分划分为了若干相对独立的模块,每个功能模块都可以独立实现自身的功能通过这种划分模块的设计方法,不仅能明显减少软件程序在运行过程中的故障或错误,而且也有利于节省该智软起动控制系统的调试时间总体而言,本文将该控制系统的软件部分划分为了PLC初始化、液晶显示、数据采集以及故障记录这五大功能模块,并进行了相应的编程设计
5.2PLC初始化程序设计由于本文选择的三菱FX2N-64MR-001型系列的PLC控制器,其内部自带有CPU、输入/输出接口以及存储器等硬件单元,因此对该PLC的初始化程序都很较为简单只需要将FX2N-64MR-001进行上电复位,并进行液晶触摸屏的初始化即可其初始化流程,详见下图11所示初始化触摸屏初始化成功?触摸屏显示初始化失败触摸屏显示初始化成功图11PLC初始化程序的流程图
5.3液晶显示程序设计液晶显示程序,主要功能是负责电动机起动和运行过程中的状态显示、监测、记录与修改,其设计优先级别较高由于该系统采用的是清华蓬远公司生产的点阵图形式的液晶显示模块,它具有自身独特的硬件初始值设置功能,因此在软件程序设计方面,主要集中在液晶画面显示设计以及按键设计这两方面在按键设计方面,该系统根据实际操作需要,共设计有五个按键,并分别定义为向上键、向下键、向左键、向右键以及确认键通过这五个按键功能的实现,能确保该系统具有良好的人机交互功能,通过按键操作能实现对系统启停机控制,以及相关工作参数的修改在液晶画面显示设计方面,该系统根据智能软起动控制系统功能需求,以及具体应用需要,共设置了六个显示功能模块(见下图12),分别为电机设置模块、本地控制模块、服务设置模块、密码设置模块、时钟设置模块以及服务设置模块各功能模块中,又包含了工作参数显示、修改时间查看、出厂设置恢复等相对应的子功能模块图12液晶显示画面中的功能模块图
5.2电压/电流采集与控制程序的设计电压/电流采集与控制的软件程序,其主要功能是通过周期性的扫描,将控制电路中采集到的电压/电流信号转换为数字信号,并传送到微处理器中以供数据处理为了方便用户能实时的监测到电动机起动和运行过程中电压、电流、转矩等重要工作参数的数值,本文所设计的电压/电流采集与控制程序,能够通过周期性的检测控制电路中的模拟信号值,并根据相应的比例转换为供微处理器接受的数字信号值,并最终通过液晶显示模块将电动机的运行状态进行实时显示
6.3故障记录程序的设计智能软起动系统还应具备故障记录功能,其目的是将故障发生的时间、内容,以方故障处理情况进行详细的记录,从而便于设备故障发生后的及时检修与处理,以尽可能的保证电动机的正常运行故障记录软件程序的设计,其关键是确保记录数据的不丢失和良好保存综合考虑到系统内空间flash中存在部分可用空间,因此通过程序设计,将故障数据保存到该区域内这种程序设计方法,不仅能有效避免了外接存储器所带来的系统硬件设计问题与兼容问题,而且有助于降低整个智能软起动控制系统的设计成本
1.绪论
1.1研究背景及意义交流异步电动机因其结构简单、工作可靠、效率高、价格便宜,在各行各业中都得到了广泛应用其工作原理,主要是基于气隙旋转磁场与转子绕组中的感应电流相互作用,而产生电磁转矩,从而实现电能一机械能相互转换的一种交流电动机然而,当交流异步电动机起动和静止时,其转子与定子旋转磁场间的相对转速最大,转子内的感应电势最大,所以其起动电流会非常大,通常为额定电流的4〜7倍以上在电动机功率较大的情况下,这么大倍数的直接起动电流,必然会引发一系列的问题一是对电网造成冲击,过大的起动电流将导致电网产生过大的线路压降,从而使得与电动机连接的供电线路形成快速、短时的电压波动,影响到电网的安全、稳定运行;二是对电动机本体造成冲击,当产生过大的起动电流后,将在电动机绕间、绕组与铁芯间产生比额定工况大16〜49倍以上的电动机,而频繁承受这样大的应力,必然将加速电动机各部件的绝缘磨损与绝缘老化,而影响到电动机的正常使用寿命;三是对生产机械造成冲击,如电动机采取直接启动,将会产生过大的转矩,从而使被拖动机械形成巨大的应力,而容易导致机械设备出现故障与损坏正是由于交流异步电动机直接起动所存在的种种弊端,从其诞生以来国内外相关学者就纷纷开始了对其起动方法的研究目前,一种最为有效的控制策略,即是在电动机装设软启动器,它作为一种集电动机软起动、软停车、轻载节能以及具有多种保护功能于一体的控制装置,能实现电动机在起动过程中电流、转矩及转速的逐渐增加本文在国内外软起动器进行综合研究的基础上,设计了一种以FX2N-64MR-001型可编程序控制器(PLC)为核心控制单元的智能软起动控制系统,并通过设置可触碰式的液晶显示屏用于显示系统的各项信息实践应用发现,该系统不仅人机界面友好,而且能良好实现电动机故障保护、限流启动、恒速运行等多种功能,能明显改善交流异步电动机的起动与制动性能,具有良好的实践应用效果
1.2国内外相关研究综述电动机的智能软起动,是一种将电力电子技术PLC控制技术和模糊控制理论相结合的新型电动机起动技术它通过利用嵌有PLC控制模块的智能软起动器,能无阶跃地平稳起动/停止电动机,避免各种传统起动方式引起的机械与电气冲击等问题,并能有效地降低起动电流及配电容量由于传统的软起动控制器,多数智能化水平偏低,其不仅操作复杂,而且控制算法单一,已无法满足当前我国智能电网对终端设备智能化的需要因此,本文提出了一种以FX2N-64MR-001型可编程序控制器为核心的新型智能软起动控制系统设计方案该系统不仅人机界面友好,而且能良好实现电动机故障保护、限流启动、恒速运行等多种功能,能明显改善交流异步电动机的起动与制动性能,具有良好的实践应用效果
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2.1国外研究综述自电动机诞生以来,国外就开始了对其起动方法的研究,最初采用的方法主要有串联电阻限流起动、串联电抗器限流起动、自耦变压器降压起动等等直至20世纪70年代,当大功率晶闸管实现工业化生产以后,利用晶闸管交流调压技术所制作的固态软起动器才正式面世软起动器的应用,相比其它传统方法具有更多功能上的优势,不仅可实现无极调节起动电流、节约电流、占用体积小等特点,而且还能电动机软停车功能目前,国外许多大型电气公司,都纷纷推出了属于自己品牌的软起动器产品,并在工农业控制领域中得到了广泛应用例如,美国ABB公司生产的软起动器,主要分为PSA型、PSD型和PSDH型这三种,其中PSDH为重型起动型,常用电机容量为
7.5〜450kW,其主要功能有起动斜坡时间设定、初始电压设定、停止斜坡时间设定、起动电流极限设定,脉冲突跳起动、大电流开断等,还有运行、故障、过载等的指示;法国施耐德电气公司生产的Altistart46型软起动器,主要有标准负载和重型负载这两大类,其额定电流从17〜1200A共分为21个额定值,电机功率
2.2〜800kW,产品除具有软起动和软停车功能以外,还具有恒温加减速功能;德国西门子公司生产的3RW
22、3RW
30、3RW
31、3RW34型软起动器,除具有软起动和软停车功能以外,还具备了良好的故障识别能力,并可根据需要改变其电压上升变化的斜率,以适应多种工况的要求总体而言,国外知名电气厂商所生产软起动器,普遍具有良好的技术先进性与实践应用效果而在理论研究方面,则主要集中于变频软起动技术的导入研究,并通过建立更加准确、实用的仿真模型,以实现对软起动器性能的模拟与控制
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2.2国内研究综述我国对交流异步电动机软起动技术的研究也较早,最初起始于20世纪80年代,当时就有不少的研究者在开发电动机功率因素控制器时,就应用到了软起动技术目前,国内对电动机软起动控制的研究已较为深入,并已有成熟的产品推出,例如,JKR型、JQ型、JQZ型交流电机固态起动器等,其单机最大容量普遍可达到800kW以上,并具有斜坡恒流软起动、阶跃恒流起动、脉冲恒流起动以及软停车功能,还可实时根据电动机的负载变化,以随时调整电动机的工作电压,从而使电动机的工作始终处于最佳状态除此以外,以上型号的软起动器,还能有效降低电动机的有功功率、无功功率,减小负载电流,使电动机在空载状态下运行时,其节电率可达到50%以上尽管国内已有较为成熟的软起动器产品推出,但相比国外而言,总体技术水平仍偏低,且普遍是对国外产品的仿制,缺乏自主知识产品近年来,随着PLC控制技术、信息技术的不断发展与成熟,从长远的发展来看,未来软起动器的主要市场将集中于变频软起动技术,尤其是伴随电子产品制造水平与制造工艺的不断提升,变频器性能在不断提升的同时,其价格却在不断降低相信在不久的将来,变频软起动技术将占据绝大部分软起动器的市场
2.研究的相关理论基础
2.1交流异步电动机的起动特性为了简化设计与计算的过程,有必要了解交流异步电动机的起步特性,从而得出电动机在起动过程中电压、电流、转矩等相关变量间的关系,以更容易理解电动机软起动的控制过程在下图1中,即为交流异步电动机的等效电路图图1交流异步电动机T形等效电路图在上图中,Ui和Ii分别为定子相电压与定子相电流;《为转子电流折算值;Im为励磁电流;X1和X;分别为一次绕组与二次绕组的漏电折算值;与和此则分别为一次绕组与二次绕组的电阻折算值;s为转差率;X帆和,均为励磁阻抗从图中可以看出,交流异步电动机如不采取任何措施,而直接投入电网起动时,往往会产生电流过大的问题这是由于在起动过程中,旋转磁场将以较大转速切割转子,从而在转子绕组中产生很大的感应电流与感应电势,并引发定子电流负载分量的急剧增加通常而言,电动机正常运行时其转差率s很小,所以转子等效阻抗出/S很大,这也因此限制了定转子电流;而在起动时,其转差率S将迅速增大,而此时转子等效阻抗很小,这也是起动电流将迅速增大的原因
2.2软启动器的工作原理交流异步电动机直接起动时,过大电流、电压的产生对电动机和电网都会产生较大的冲击,这对设备运行是非常不利的因此,必须通过有效的策略以降低起动电流,目前较为可行的方法主要有一是改变定子电压Ui;二是改变转差率s;三是改变定子侧电阻或者电抗;四是改变转子侧电阻或电抗而软起动器的应用,正是基于改变定子侧电阻的思想,通过交流调压调速的方式,利用晶闸管可控与导通的特性,通过控制晶闸管的导通角度a,以改变实际施加在电动机定子上的电压有效值,从而实现对电动机起动电流的有效降低在起动过程中,晶闸管导通角a将逐渐由大到小,从而使得输出电流、电压平滑稳步的增加在下图2中,即为软起动器对电动机起动电压的控制原理图,通过这种降流、降压的方式,软起动器一般可将异步电动机的起步电流限度在额定电流的3倍以内,而起动转矩则能限制在额定转矩的
0.2〜
0.4倍以内图2软起动器的降压控制原理图
2.3电动机智能软起动的概念及控制方法
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3.1电动机智能软起动的概念电动机的智能软起动,是一种将电力电子技术、PLC控制技术和模糊控制理论相结合的新型电动机起动技术它通过利用嵌有可编程控制器的智能软起动器,能无阶跃地平稳起动/停止电动机,避免各种传统起动方式引起的机械与电气冲击等问题,并能有效地降低起动电流及配电容量智能软起动装置的起动方式有限流起动、电压斜坡起动、限流+斜坡起动、突跳转矩起动等;停机方式有自由停机、软停机和制动停机等它对电动机有过电流、断相、短路等保护功能;对软起动器本身有过热、晶闸管短路等各种完善的保护,不仅确保了电动机及软起动器在各种起动和运行工况下的安全,而且有效延长了电动机和机械设备的使用寿命
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3.2智能软起动的控制方法目前智能软起动控制的代表性方法,主要有模糊控制法与神经网络控制法1模糊控制法模糊控制作为智能控制方法的一种,它属于非线性、智能控制范畴的一种计算机数字控制,是在被控对象的模糊模型的基础上,运用模糊控制器近似推理的手段,以实现对系统智能控制的一种方法由于模糊控制法,主要是模仿人的控制经验,而并不是依赖于控制对象的数学模型,因此模糊控制法能近似的反映人的控制行为,相比其他方式而言,往往不需要过于依赖被控对象精确的数学模型,且控制方法较容易实现,具有很强的鲁棒性,因此较为适用于电动机智能软起动控制其具体应用原理是,是以模糊数学、模糊语言为表达形式,以模糊逻辑的推理规则为理论基础,并采用计算机控制技术,所构成的一种具有反馈闭环结构的数字控制系统,其构成核心通常采用的是具有智能性的模糊控制器2神经网络控制法近年来,神经网络在电气传动领域中的应用,也取得了很大的进展它能通过自主学习,以了解系统的结构、参数、非线性以及不确定性,从而为系统给出所需的智能化控制规律,正是由于其所具有的自学习性、自适应性以及鲁棒性,也非常适宜应用于电动机智能软起动控制当中
3.仿真模型的建立及控制方法的选择在以上研究理论的基础上,本文利用Matlab仿真软件中的Simulink模型数据库,建立了电动机智能软起动系统的仿真模型,并通过对智能控制方法的选择与仿真,以减少设计过程中大量重复的参数选择与算法的调整
3.1仿真模型的建立利用Matlab仿真软件,最终得到的仿真模型如下图3所示,该模型共包括了九大功能模块,其分别是交流电源功能模块、电流测量功能模块、电压测量功能模块、电流微差分比率计算功能模块、导通角信号生成功能模块、电压过零信号功能模块、电流过零信号功能模块、晶闸管功能模块以及智能控制算法功能模块这几部分所组成图3智能软起动控制系统仿真模型图在以上功能模块中,电流测量模块的功能,是为了实时反映电动机电流的真实值,从而以实现电动机的斜坡电流起动控制;电压测量功能模块的功能,主要是通过电压过零点的检出,以实时控制电动机加载电压以避免电流的增大;晶闸管功能模块,则主要是用于控制晶闸管导通端的信号触发装置,以及时发送晶闸管调压信号
3.2智能控制方法的选择结合模糊控制法与神经网络控制法各自的特点,本文所设计的电动机智能软起动控制系统,采用了神经网络中的单神经元的自适应PID控制算法,以实现对电动机智能软起动的控制该算法的模型图,详见下图3所示在图中,状态转换器的输出,为神经元学习所需的输入信号XI、X
2、X3,控制信号U k由神经元通过关联搜索和自学习产生其中,r k为电路设定值,y k为电流反馈值,经过状态转换之后即可成为神经元学习所需的状态量XI、X
2、X3对象图4单神经元的自适应PID控制算法模型图为保证该算法在软起动控制系统应用时的收敛性与鲁棒性,本文采用规范化处理后的算法,其输出可表达为3uk=〃攵-1+w\{k}xi[k}1i=\在上式中,XI k=e k,相当于积分项,反映了系统误差变化的积累;X2k=e k—e k—1,相当于比例项,反映了系统误差的变化情况;w k则是对应于x k的加权系数k是指该单神经元的比例吸收,k0o从以上分析可知,该单神经元自适应PID控制算法,是通过加权系数的调整来实现系统自组织、自学习以及自适应功能的加权系数的调整可以采用不同的学习规则,从而形成不同的控制算法
3.3仿真结果分析本文仿真建模选用的电动机为一款三相交流异步电动机,其工作参数为额定功率75kW,额定电压380V,额定工作电压频率50Hz,额定转速1500RPM仿真建模时转子和定子相关参数为转子电阻
0.02093Q,定子电阻
0.03553Q,转子电感
0.000336H,定子电感
0.0151H电动机负载对象选择了最常见的风机设备,智能控制算法选择单神经元自适应PID控制算法,软起动方式为电压斜坡起动在下图5a和5b中,即分别为该电动机软起动后,其定子电流变化与导通角变化的仿真图100010051015《m时H
(8)(a)电动机定子电流变化(b)电动机起动后导通角变化图5仿真模型图从上图中可以看出,整个起动过程中,电动机定子电流的变化平稳,导通角随着电流、电压的增加逐渐加大,以实现对电动机的软起动控制这也说明了该仿真模型中,利用单神经元自适应PID控制算法来控制系统的相关参数,进而实现对电动机加载电流、电压的实时、自动调整,其方法是有效的
4.电动机智能软起动控制系统的硬件设计
4.1系统总体结构设计本文所设计的电动机智能软起动控制系统,主要由PLC控制器、液晶显示屏(人机交互界面)、液阻箱以及控制电路等多个部分所构成,详见下图6所示该系统所采用电网电压为工频50Hz,额定电压1OKV的高压电,在图中SQ1为空气隔离开关,JK为PLC控制的主电源开关,JK1为水阻短接开关,M和R分别为交流异步电动机和液阻箱。