電動機(jī)軟起動離線仿真

摘要：闡明對電動機(jī)軟起動過程作離線仿真的必要性，通過實(shí)例介紹作者在這類軟件開發(fā)方面的最新成果，一種適用于按電流閉環(huán)控制電動機(jī)軟起動過程的仿真軟件（Mag）。 Abstruct: This paper explains the necessity of the offline simulation for the process of soft-starting A.C motor, introduces, by means of a practical example, the newly result of the authors in this field, that is, a simulation software（Mag）.Which is a useful and effective means for forecasting the soft-start process of A.C motor. 關(guān)鍵詞：仿真 軟件 軟起動 交流電動機(jī) Key words: Simulation software Soft-start A.C motor 引言 3年前，我們受湖北省追日電氣公司委托，對液態(tài)軟起動過程進(jìn)行比較精確的預(yù)測，在經(jīng)歷了浩繁的計(jì)算和不經(jīng)意的挫折后，我們提出了開發(fā)液態(tài)軟起動仿真軟件的創(chuàng)意。幾經(jīng)版本更迭，我們成功地推出了基于MATLAB語言的《液態(tài)軟起動仿真軟件》（Startliq）。 本文介紹的是我們的最新成果，它是一個適用于電流閉環(huán)控制軟起動的仿真軟件（Mag），開發(fā)Mag的直接目的是對天津市先導(dǎo)機(jī)電有限公司研制的磁控軟起動作預(yù)測，對于磁飽和電抗器的設(shè)計(jì)作提示，對于磁控軟起動裝置用戶作出有根據(jù)的承諾。具體地說， （1）、通過仿真弄清用戶提出的設(shè)計(jì)任務(wù)是否可行，應(yīng)該怎樣選型，輔助確定設(shè)計(jì)參數(shù)等， （2）、使用戶明白提出的技術(shù)要求必須是合理的，采用磁控軟起動裝置可以預(yù)期的效果。 Mag適用于任何形式的電流閉環(huán)控制軟起動，包括市場上廣為流行的國內(nèi)、外生產(chǎn)的晶閘管軟起動裝置。Mag所使用的仍然是MATLAB語言，版本已更新為6.0。 在2002.1《自動化博覽》上，發(fā)表了作者的《軟起動裝置的初級智能化》[1]（已收編《中國科技發(fā)展精典文庫》第二輯，以下簡稱《智能化》）。 《智能化》把初級智能化定義為“按軟起動次數(shù)逐次自我改進(jìn)”。 軟起動過程最優(yōu)是“自我改進(jìn)”的出發(fā)點(diǎn)和歸宿。過程最優(yōu)要求對于軟起動過程的電流、電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)速、相關(guān)器件的發(fā)熱量等可測變量的時間曲線作出總體評價，即關(guān)于軟起動過程質(zhì)量，軟起動外在條件，控制策略I*（t）適宜性的總體評價。過程最優(yōu)要求建立起一個準(zhǔn)則，使不同次的軟起動過程具有可比性。比較由計(jì)算機(jī)完成。把從軟起動過程中得到的測量數(shù)據(jù)以及一些無法直接測量的判斷量化后輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)既定的準(zhǔn)則，對本次軟起動過程品質(zhì)相對于往次有否改進(jìn)和改進(jìn)幅度的作出鑒定。計(jì)算機(jī)通過I*（t）生成軟件（I G）給出供下次軟起動用的作為電流閉環(huán)基準(zhǔn)的I*（t），自動完成‘自我改進(jìn)’。 但是，對于大容量電動機(jī)而言，軟起動的頻繁度往往是很低的。例如，半年才起用一次。這種‘逐次自我改進(jìn)’就可能太慢了。所以,計(jì)算機(jī)離線仿真軟件就顯得十分重要。借助于它，我們不必對大容量電動機(jī)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)大的、牽扯面廣的、耗能大的實(shí)地軟起動，就可以預(yù)測軟起動過程，‘測量’可測量變量，‘鑒定’ 本次模擬的軟起動過程的質(zhì)量 ，生成新的I*（t），加速‘自我改進(jìn)’的進(jìn)程。因此，在《智能化》中，已經(jīng)將‘離線仿真軟件SPS’與I*（t）生成軟件（I G）一起，并列為初級智能化‘至少要配備的4個軟件’中的2個。 一、離線仿真的任務(wù)： 按照已知的電網(wǎng)、電動機(jī)、負(fù)載數(shù)學(xué)模型和選定的控制方式和軟起動方式，捕獲電動機(jī)軟起動過程中的一切可得到的有用信息，將它們以時間曲線圖或特征參數(shù)的形式表述出來。 電動機(jī)軟起動離線仿真軟件包括： 1、輸入軟件：將上述“模型”、“方式”以特征數(shù)或代碼的方式通知計(jì)算機(jī)。 2、運(yùn)算軟件：根據(jù)輸入（包括計(jì)算步長和仿真時間）按內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型，起動計(jì)算程序，獲得并儲存中間和最終結(jié)果。 3、輸出軟件：將計(jì)算結(jié)果表示為圖形、特征參數(shù)，例如起動時間、電網(wǎng)最大壓降、電動機(jī)電流和轉(zhuǎn)速波形等。 二、電網(wǎng)-電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型 電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型有兩種：基于狀態(tài)方程的和基于集中參數(shù)等效電路的。 對于變頻調(diào)速而言，多采用前者，對于軟起動而言，我們采用后者。 基于電路的數(shù)學(xué)模型見圖1。 圖1電網(wǎng)-電動機(jī)一相的Г形等效電路圖 四、電動機(jī)軟起動離線仿真實(shí)例 今年5月4日，由天津市先導(dǎo)機(jī)電有限公司開發(fā)研制的磁控軟起動裝置在濟(jì)源鋼鐵公司成功地將一臺6KV，2000KW的風(fēng)機(jī)電動機(jī)軟起動成功。 實(shí)拍的結(jié)果表示在圖2。 圖2 實(shí)拍的時間曲線圖 實(shí)拍時間曲線系用西門子公司直流電控裝置6RA70拍攝的。電動機(jī)定子電流為700安，是用指針式儀表測量的。 按照命名為mag 的電動機(jī)軟起動離線仿真的結(jié)果表示在圖3、圖4和圖5。 輸入數(shù)據(jù)摘要如下：電機(jī)額定線電壓為(伏)：6000，電動機(jī)額定容量為(千瓦)：2000，電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為(rpm)：2980，電動機(jī)堵轉(zhuǎn)電流標(biāo)幺值：6，電動機(jī)全壓起動電磁轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值：0.8 ，電動機(jī)額定電壓下最大轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值：2，轉(zhuǎn)子飛輪慣量為(牛.米方=4g*J)：5000，仿真時間(秒)：50，14、恒流給定值(安)：700，電網(wǎng)感抗(歐)：0.44，電網(wǎng)電阻(歐)：0。 由仿真得到的部分曲線附錄如下（電動機(jī)電流與轉(zhuǎn)速的單位分別為安和rpm，轉(zhuǎn)矩單位為牛頓米，時間單位為秒）： 圖3 電動機(jī)電流與轉(zhuǎn)速仿真曲線 圖4 電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩仿真曲線 圖5 電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電壓降仿真曲線 對比表明，實(shí)拍和仿真結(jié)果大體相符。 實(shí)拍結(jié)果，不含電動機(jī)轉(zhuǎn)速，因?yàn)椴痪邆滢D(zhuǎn)速傳感器。仿真結(jié)果中不含勵磁電流。 結(jié)束語 1、對于電動機(jī)起動計(jì)算，很多電工手冊均提供有計(jì)算公式，例如[2]。但是，它們或者僅僅針對傳統(tǒng)的起動方式（例如星三角、自耦變壓器起動），或者是一些隨意性大、精確性低的經(jīng)驗(yàn)公式。比較準(zhǔn)確的計(jì)算方法是‘圖解法’[3]，一個軟起動過程如果是20秒，每秒計(jì)算一次，如果步步計(jì)算都不出錯的話，也要耗費(fèi)大約整整一個上午的時間?，F(xiàn)在，用mag軟件計(jì)算。當(dāng)計(jì)算步長為0.01秒時，全部運(yùn)算的完成時間不超過10秒。 2、電動機(jī)軟起動離線仿真的精度取決于數(shù)學(xué)模型的精度。在采用數(shù)學(xué)模型時，必然要做一些近似，例如把非線性的特性線性化，把非正弦波正弦化等等。這些近似必然會帶來誤差，如果帶來的誤差不超過20% ，就可以認(rèn)為是合理的。 參考文獻(xiàn) 1、高越農(nóng) 軟起動裝置的初級智能化 自動化博覽 2002.1 2、金代中 侯 銳 電工速查速算手冊 （第四章第5節(jié)） 機(jī)械工業(yè)出版社2001.9 3、顧繩谷 電機(jī)及拖動基礎(chǔ) （下第92~94頁） 機(jī)械工業(yè)出版社1981.1 Using Toolbox Path Cache. Type "help toolbox_path_cache" for more info. To get started, select "MATLAB Help" from the Help menu. >> MAG 1、電動機(jī)額定線電壓為(伏):6000 2、電動機(jī)額定電流為(安):612 3、電動機(jī)額定容量為(千瓦):5500 4、電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速為(rpm):1485 5、電動機(jī)堵轉(zhuǎn)電流與額定電流之比為(缺省為6):4.2 6、電動機(jī)全壓起動時電磁轉(zhuǎn)矩與額定值之比為(缺省為0.8):0.5 7、電動機(jī)額定電壓下最大轉(zhuǎn)矩與額定值之比為(缺省為2.2):1.5 8、電動機(jī)額定電壓下空載定子電流為(安,缺省為0.2*I1e): 9、電動機(jī)額定電壓下空載損耗為(千瓦,缺省為0.05*Pe): 10、電動機(jī)導(dǎo)條高度為(cm,0表示非深槽電機(jī)):8 11、電機(jī)允許堵轉(zhuǎn)時間為(s):30 12、轉(zhuǎn)子飛輪慣量為(牛.米方=4g*J):100000 13、仿真步數(shù)為:2000 14、仿真時間為(秒):50 15、電流給定值曲線轉(zhuǎn)折時刻為(秒,不含起始時刻0秒和已知的結(jié)束時刻):0 16、恒流給定值為(安):612*2.5 17、負(fù)載特性轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)速為(rpm,不含起點(diǎn)n=0和終點(diǎn)同步速):[50,100,200] 18、負(fù)載特性轉(zhuǎn)折點(diǎn)轉(zhuǎn)矩為(N.m,不含對應(yīng)起點(diǎn)n=0的默認(rèn)負(fù)載0,含終點(diǎn)同步速時轉(zhuǎn)矩):[1000,1000,0,0] 19、額定轉(zhuǎn)速時的風(fēng)阻轉(zhuǎn)矩為(N.m):5000 20、電網(wǎng)額定線電壓為(伏):6300 21、電網(wǎng)阻抗為(歐):0.2 22、電網(wǎng)電阻為(歐):0 23、電抗器交流繞組電阻為(歐):0 24、給定電流與實(shí)際電流間慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)為(秒):0.5 25、電抗器交流繞組的空心電抗為(歐):0.1 要修改這些數(shù)據(jù)嗎(y/n)?N 啟動完成時間為(秒)： 46.4250 啟動過程中電機(jī)能量消耗為(焦耳)： 5.6788e+007 啟動過程電機(jī)能量消耗標(biāo)么值為(%)： 49.2492 啟動過程電抗器交流繞組能量消耗為(焦耳)： 0 >> plotni