第26卷第3期 辽 宁 工 学 院 学 报 V ol.26,No.3 2 0 0 6 年6月 Journal of Liaoning Institute of Technology Jun. 2006收稿日期：2005-03-14作者简介：耿大勇(1971-)，男(满族)，辽宁兴城人，副教授，硕士。
基于SIMULINK 异步电动机软起动控制系统的仿真耿大勇1，贾 丹2，李振刚1（1.辽宁工学院 信息科学与工程学院，辽宁 锦州 121001; 2.辽宁工学院 计算机科学与工程学院，辽宁 锦州121001）摘 要：异步电动机的软起动可控制电动机的起动电压和电流，减少电动机起动过程对电网和负载的冲击，同时保证电动机运行平稳。
利用MATLAB 软件中的动态仿真工具Simulink 对采用PI 电流闭环控制的异步电动机软起动系统建模并进行了实例仿真。
仿真结果和实验结果吻合较好，证明仿真方法是正确、有效的。
关键词：异步电动机；软起动；仿真；Simulink中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1005-1090(2006)03-0141-04Simulation of Soft Starting Control System forAsynchronous Motor Based on SIMULINKGENG Da-yong 1, JIA Dan 2, LI Zhen-gang 1（rmation Science & Engineering College, Liaoning Institute of Technology, Jinzhou 121001, China puter Science & Engineering College, Liaoning Institute of Technology, Jinzhou 121001, China)Key words: asynchronous motor; soft starting; simulation; SimulinkAbstract: By using soft starting , the starting voltage and starting current of asynchronous motor can be controlled, the impact on electric power system and load during the startup can be reduced, and also enables asynchronous motor to rotate steadily. The simulation model of soft starting system by using PI current closed loop control for asynchronous motor was established based on MATLAB/Simulink and simulation was carried out through actual example. The simulation results were close to the experimental ones, which verified the correctness and validity of the simulation method.近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，国内外都十分重视三相异步电动机软起动控制系统的研究和开发[1,2]。
软起动控制旨在降压以限制电机起动电流，减小起动电流对电网的冲击，也达到了节能的目的。
目前软起动方式很多，如液阻软起动、磁控软起动、晶闸管软起动等，从起动时间、控制方式的节能效果等多方面综合比较，以晶闸管软起动方式最优，代表着软起动的发展方向。
但目前关于异步电动机软起动控制系统仿真的文献较少，本文借助于MATLAB 软件的动态仿真工具Simulink 来构建异步电动机软起动控制系统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情况，最后进行了实验验证。
1 异步电动机软起动控制系统结构三相异步电动机软起动的主电路如图1所示。
该系统将三组反并联的晶闸管串接在电动机的三相电路上，在电动机起动过程中通过控制晶闸管触发角的大小，使电动机起动电流根据工作要求所设142 辽宁工学院学报 第26卷定的规律变化，这样便可任意调整与选择起动电流的大小和起动方式，使电动机处于最佳状态，同时亦可减少起动功率损耗。
图1 晶闸管调压主电路 图2 软起动控制系统的结构框图 目前的软起动器大都以起动电流为控制对象进行软起动，其首要任务是限制起动电流，故对电流采用闭环控制。
图2所示为采用PI 电流闭环控制的软起动控制系统的结构框图，电流反馈量取自相电流有效值，和限定电流的给定值作比较，经比例积分(PI)运算得到调整后的触发角去触发晶闸管导通以实现电动机按预定的规律软起动。
2控制系统的建模软起动有恒流软起动、斜坡恒流软起动、脉冲恒流软起动等多种方式。
因电机处于空载和轻载起动的情况较常见，该起动方式宜采用斜坡恒流软起动，下面便以这种方式为例阐述其建模和仿真过程。
利用MATLAB 中的Simulink 工具建立的异步电动机软起动控制系统仿真模型如图3所示，包括中晶闸管触发器、双向晶闸管、相电流有效值计算模块、软起动触发角PI 调节器为封装好的子系统模块，可从Simulink 常用模块库(simulink)和电力系统模块库(power systems blockset)中获得[3]。
图3 异步电动机软起动控制系统仿真模型图4为双向晶闸管子系统模块，以A 相为例，包含两个反向并联的单向晶闸管。
晶闸管触发极输入的信号如非零，则其导通。
B 、C 两相的双向晶闸管子系统结构与A 相相同。
图4 A 相双向晶闸管子系统模型图5为晶闸管触发器子系统模型，包括重复序列、脉冲发生器、传递延迟器和选择开关等模块。
重复序列模块产生一个周期为0.02 s ，输出从0到2的斜坡信号。
脉冲发生器产生频率为50 Hz ，占空比为50%，幅值为1的脉冲，与重复序列模块产生的斜坡信号相乘后将生成一个0~0.01 s 内输出为从0~1的斜坡信号，而在0.01~0.02 s 内为零。
该信号与触发角给定信号大小18/α相乘后产生一个0~0.01 s 内输出为从0到18/α的斜坡信号，α为晶闸管触发角。
此信号作为选择开关(swith)的第二输入信号便可控制晶闸管的触发时刻。
选择开关的门槛值都设为0.1，当第二个输入信号大于或等于门槛值时，选择开关将第一个输入值1作为输出，使晶闸管在α角处被触发导通。
否则输出第三个输入值0，晶闸管关断。
子系统中采用传递延迟器模拟第3期 耿大勇等：基于SIMULINK 异步电动机软起动控制系统的仿真 143时间延迟。
传递延迟器1的时间延迟系数设为0.01 s ，表示输出2信号比输出1信号延迟180°，保证A 相的两个晶闸管在上、下半波内对称导通。
传递延迟器2的时间延迟系数设为（1/150）s ，表示输出3的信号比输出1的信号延迟了120°，保证T 1、T 3两管的触发脉冲相差120°. 同样，其他传递延迟器的延迟系数也均按晶闸管的导通顺序和规律进行设置。
图5 晶闸管触发器子系统模型从电力系统模块库中拖出异步电动机模块，双击并输入电机的一些主要参数，如额定功率、额定线电压、电源频率、定子和转子的电阻、漏感和互感等，即可使用。
利用测量板可输出电机一些主要物理量的仿真结果，如转速、电磁转矩等。
图2所示系统结构中闭环控制的电流反馈量I back 取自相电流i 的有效值，按定义其计算式为back I =(1) 其中T 为i 的周期。
据式（1）所建立的相电流有效值计算子系统模型如图6所示。
经过电流测量仪测出的相电流作为该系统的输入，输出相电流有效值。
图6 A 相电流有效值计算子系统模型斜坡恒流软起动是控制起动电流以一定的速率平稳地增加，当起动电流增大到所设定的电流限定值I lim 时，就将起动电流保持恒定直至起动结束。
起动电流上升变化率和电流限定值都可任意设定，I lim 大小决定起动时间的长短，可根据负载情况和生产要求设定。
为了达到上述要求，对晶闸管触发角的给定可采用比例积分(PI)控制。
图7为软起动触发角PI 调节器子系统仿真模型。
电流反馈量I back 送入该模块经比例积分运算求出当前晶闸管触发角大小后去触发晶闸管导通以实现电动机斜坡恒流软起动。
输出的晶闸管触发角计算公式为t I I k I I k ti p d )()(0lim back lim back 0∫−+−+=αα(2)式中：α为当前输出的晶闸管触发角；α0为初始给定的晶闸管触发角；k p 为比例常数；k i 为积分常数；I lim 为起动电流限定值；I back 为起动电流反馈值。
图7 触发角PI 调节器子系统模型整个起动过程中，当起动电流增加但小于限定值时，减小晶闸管触发角，电机端电压逐步升高。
起动电流等于限定值时，电机端电压保持恒定。
如果起动电流大于限定电流，则增加晶闸管触发角，以减小电机端电压以进一步限流。
当起动电流小于限定值且减小时，端电压逐步升高到额定值。
3 仿真实例以一台实际的异步电动机为例进行了仿真，电机参数如下：额定功率5.5 kW ，线电压380 V ，额定电流为12.6 A.定子电阻R 1=2.65 Ω，转子折算电阻R’2=1.8 Ω，铁耗等效电阻R m =5.372 Ω，定、转子互感Lm=0.32 H ，定、转子漏电感L 1σ=L’2σ=0.0353 H.转动惯量J=0.044 9 kg·m 2，极对数p=3. 触发角PI 调节器模型中设限定电流为2倍的额定电流左右，取为25 A ，积分常数k i 取为0.004，比例常数k p 取0.001，给定初始触发角α0为100°，电机负载率为20%额定负载。
模型建立好后，设置仿真参数：对此模型的解法选择变步长ode15s 法(可变阶次的数值微分公式算法，属于多步阶法)，其他值采用缺省参数，这样就可进行仿真。
图8显示了用有效值表示的直接起动和软起动过程中的相电流变化情况。
由图可见，直接起动时的瞬时冲击电流很大，这对电机本身、拖动设备及电网都造成冲击。
而软起动时的起动电流以一定的速率平稳地增加，当增大到设定的电流限定值25 A 时，保持恒定直至起动结束，避免了瞬时冲击电流给电机本身、拖动设备及电网带来的不利影响。