第 30 卷第 6 期 辽宁工业大学学报(自然科学版) Vol.30, No.6 2010 年 12 月 Journal of Liaoning University of Technology(Natural Science Edition) Dec. 2010 基于 MATLAB/SIMULINK 的 异步电动机软起动 控制系统的仿真 朱延枫，耿大勇，王春霞，赵凤贤 （辽宁工业大学 电气工程学院，辽宁 锦州 121001） 摘 要：针对异步电动机直接起动会产生很大起动电流的特性，提出了一种基于 PID 控制原理的异步电动机 软起动控制方法。利用 MATLAB/SIMULINK 对此闭环控制系统建立了仿真模型并进行了仿真实验。仿真结果表 明采用 PID 控制的软起动控制方法可以有效地限制异步电动机的起动电流，因此该控制方法是正确有效的。 关键词：异步电动机；软起动；PID 控制；仿真 中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1674-3261(2010)06-0356-04 Simulation of Soft-Starting Control System for Asynchronous Motor Based on MATLAB/SIMULINK ZHU Yan-feng, GENG Da-yong, WANG Chun-xia, ZHAO Feng-xian （Electric Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China） Key words: asynchronous motor; soft-starting; PID control; simulation Abstract: Considering the very large starting current brought by the asynchronous motors when being started, a soft-starting control method for asynchronous motors based on PID control theory was presented. The simulation model of the closed loop control was built based on MATLAB/ SIMULINK and simulation was carried out. The simulation results expatiate that starting current of the asynchronous motor is limited in valid by using the soft-starting method based on PID control, so the PID control method is correct and valid. 三相异步电动机因具有结构简单、运行可靠、 维修方便、价格便宜、惯性小、响应速度快等优点 而被工农业生产广泛采用。但其直接全压起动电流 大，且对电网的影响和对工作机械的冲击力都很 大，因而必须采取一些技术措施对起动电流和冲击 力加以有效控制，实现比较平稳的起动[1]。在现有 的诸多起动方式中，软起动以其控制方便、可反馈 闭环控制、平滑性较好等优点引起了许多学者的重 视，因此对异步电动机软起动进行仿真研究无疑具 有重要意义。 收稿日期：2010-10-14 作者简介：朱延枫(1977-)，女，辽宁北镇人，讲师，硕士。 MATLAB 是一种功能强大，简单易学的仿真软 件，在科研教学及工程应用中显示出越来越强大的 优越性，并在电路电子分析，计算和设计等领域得 到了广泛的应用。SIMULINK 是 MATLAB 中的基 于框图的仿真平台，提供了各种仿真工具箱，其中 的模块可以方便地进行 RLC 电路、电力电子电路、 电机控制系统和电力系统的仿真[2]。 本文基于 MATLAB/SIMULINK 建立了异步电 动机软起动 PID 控制系统的仿真模型，并完成仿真 实验。文献[3]在设计软起动控制电路中采用的是利 

第 6 期 朱延枫等：基于 MATLAB/SIMULINK 的异步电动机软起动控制系统的仿真 357 α，并去触发三相交流调压电路中的 6 个晶闸管以 实现对电动机起动过程的控制。 用反馈电流与设定电流的偏差来调整电动机的端 电压，再利用该电压去调整晶闸管的触发角 α，因 此设计比较繁琐，并且也不易调整。文献[4]在设计 软起动控制电路中采用的是 PI 控制，取得了较为理 想的控制效果，但其某些仿真模型设计比较麻烦， 如电流有效值计算模块，并且晶闸管触发脉冲产生 电路中考察的并不是电机起动电流有效值的限定 值 Iref，检测到的电流的有效值 Iback 与晶闸管触发角 α 的关系，而是含有比例系数，因此设计上也显得 比较麻烦。而本文在设计软起动控制电路中直接考 虑 Iref，Iback 和 α 的关系，设计简单易懂，并且对于 Simulink 相关模块库中的某些可以直接利用的模块 加以直接利用(如有效值计算模块)，因此仿真模型 也较文献[4]简单，由于微分环节反映了偏差的变化 趋势，并能在偏差信号变得太大之前在系统中引入 一个有效地早起修正信号，从而加快系统的动作速 度，减少调节时间[5]，因此本文在文献[4]PI 控制的 基础上引入了微分控制，从后面的仿真实验结果可 以看出采用 PID 控制比采用 PI 控制的效果更好。 1 异步电动机软起动控制系统 ~A ~B ~C VT1 VT4 VT3 VT6 VT5 VT2 M 3~ 图 1 软起动主电路图 三相交流电源 同步电路 电流设定值 三相交流调压 晶闸管触发脉 软起动控制电路 电路 冲产生电路 电流检测电路 电机 软起动器是在电动机调速装置的基础上逐步 发展起来的，也称作减压起动器(SSRVS)[3]。异步 电动机软起动主电路的原理图如图 1 所示，是由三 组反并联的晶闸管串接在异步电动机的三相电路 上，通过控制晶闸管的触发角来调整加到电动机上 的三相电压使电动机的起动电流根据工作要求变 化。 本文所设计的异步电动机软起动控制系统的 原理图如图 2 所示。从图 2 可知将起动过程中检测 到的电机定子线电流的有效值与预先设定的电流 值进行比较，经 PID 控制得到合适的晶闸管触发角 图 2 软起动控制系统原理图 2 异步电动机软起动控制系统的 仿真 2.1 异步电动机软起动控制系统的仿真模型 图 3 为异步电动机软起动控制系统仿真模型， 它主要由三相交流电源模块、同步电路模块、脉冲 产生模块、三相交流调压模块、异步电机模块、软 起动控制模块、电机参数测量模块、电流有效值计 算模块及显示器模块等构成。下面对一些主要模块 做一简单说明。 同步系统 三相交流电源 脉冲产生模块 时钟 异步电机 转速 三相交流延迟模块 负载 转矩 电机测量模块 电流有效值 软起动控制模块 电流设定值 有效值计算模块 图 3 电动机软起动控制系统仿真模型 

358 辽宁工业大学学报(自然科学版) 第 30 卷 2.1.1 触发脉冲产生模块 化量 ∆α. 2.1.4 同步电路模块 以 A 相中两个晶闸管 VT1，VT4 的触发脉冲为 例(其他两相同理)，具体模型见图 4. 本文中的触 发脉冲产生电路参考了文献[2]中的相关内容。A 相 电压经一延迟环节形成一方波信号，该方波信号再 经斜率设定模块(Rate Limiter)得到锯齿波信号，该 锯齿波信号与移相控制电压 uC 比较来调整锯齿波 的过零点，最后再经一延迟环节(Relay1)产生前沿 可调，后沿固定的晶闸管触发脉冲。图 4 中的函数 运算模块完成触发角 α 到移相控制电压的变换作 用，这样所设计的脉冲产生电路可以保证每一相的 两个晶闸管在电源电压的正、负周期内对称导通， 相邻相的同一方向的晶闸管(VT1，VT3)的触发脉冲 相差 120°. 1 A1 2 - + - + Relay Rate Limiter -1 Gain u(1)/18 Function 1 g1 2 g4 图 4 触发脉冲产生模块子系统 2.1.2 三相交流调压模块 三相交流调压模块是对图 1 的软起动主电路图 中 6 个 晶 闸 管 构 成 的 电 路 利 用 MATLAB/ SIMULINK 相关的模块建立的仿真模型，图 5 仅以 一相为例给出了 A 相中两个晶闸管 VT1、VT4 的反 并联连接的模型，其他两相同理。 a g k m k m a g 图 5 A 相双相晶闸管子系统 2.1.3 软起动 PID 控制模块 如图 6 所示，该模块的输入信号为电流限定值 Iref，及电流反馈值 Iback. 触发角 α 的初始值 α0 设为 100o. α0 不能取得过大，否则电机将由于电压太低而 无法起动。图中的饱和环节 Saturation 起到到限制 触发角的作用。PID 控制参数取为 kP=1.5，kI=1， kD=0.01. 该模块的输出信号为晶闸管触发角的变 如图 7 所示。由于三相交流调压电路中的晶闸 管触发角 α=0 的点定在各相电压过零点，而不是线 电压。另外电气系统模块同 Simulink 常规模块本质 不同，两类模块之间的信号流动必须借助中间接口 模块，因而根据性质，选用了电压测量模块，如图 7 所示。 1 触发角 Saturation + + + + du/dt 1/s 1.5 kP 0.01 kD 1 kI 100 _ + 1 Iref 2 Iback 触发角初始值 图 6 软起动 PID 控制模块 1 A B C + - V 电压测量 + - V + - V 1 A1 B1 C1 图 7 同步电路模块 2.1.5 电流有效值计算模块 有 效 值 计 算 模 块 可 以 直 接 选 择 MATLAB/ Simulink 中的 Extra Library/Measurements/RMS. 注 意在使用时要将频率设定为 50 Hz. 2.2 软起动 PID 控制环节 从上面的软起动 PID 控制模块的说明可知，晶 闸管触发角 α 与反馈电流 Iback 和限定电流 Iref 之间 的关系满足下式 k I ( P t )d back ( I k I − I − + ref + (1) t 0 ∫ α α= + 0 k d I ( D back I − back ref I ) ref t ) / d 其中 α 为晶闸管触发角；α0 为晶闸管触发角的初始 值；kP 为比例系数；kI 为积分系数；kD 为微分系数； Iref 为起动电流有效值的限定值；Iback 为检测到的电 流的有效值。从式(1)可以看出，当 Iback Iref 时，α 增加，电机端电压减小因而限制了起动电流。 

第 6 期 朱延枫等：基于 MATLAB/SIMULINK 的异步电动机软起动控制系统的仿真 359 2.3 仿真结果 1200 以文献[4]中的三相异步电动机为例进行仿 真。电机参数如下：额定功率 5.5 kW，线电压 380 V，额定电流 12.6 A，定子电阻 R1=2.65 Ω，转子折 ’ =1.8 Ω，铁耗等效电阻 Rm=5.372 Ω， 算到电阻 R2 定、转子互感 Lm=0.32 H，定、转子漏电感，转动 ’=0.0353 H，极对数 p=3. 限定电流设置 惯量 L1σ=L2σ 为 25 A，kP 取为 1.5；kI 取为 1；kD 取为 0.01，α0 设为 100°. 假设电机空载起动。按上述参数建立好 的电动机软起动控制系统仿真模型如图 3 所示，仿 真算法采用 ode23tb，相对误差 1e-3，绝对误差 1e-3. 图 8 为直接起动、软起动 PI 和 PID 控制时的 相电流有效值变化曲线。从图 8 中可知直接起动时 的起动电流很大，而且起动瞬间会产生很大的冲击 电流，而采用 PID 控制时，起动电流以一定的速度 平稳地增加，并保持小于 25 A 直到起动过程结束。 而采用 PI 控制(kP=1.5；kI=1；kD=0)时的相电流比 采用 PID 控制时大，超过了 25 A 并且电流的抖动 也比较大，可见加入了微分控制使电流的偏差变得 更小了，加快了系统的动作速度，减少了调节时间。 50 40 30 20 10 A / I 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t / s 图 8 直接起动(点划线)、软起动 PI 控制(虚线)和 PID 控制(实线)电流有效值波形 图 9 为采用 PID 控制时电机转速的变化曲线。 从图 9 中可以看出，引入微分环后，虽然上升时间 变大了，但转速的调节时间缩短了。微分环节虽然 提高了系统的响应速度，但却有对干扰敏感的缺 点，因此在检测环节加入一个采样时间为 0.02 s， 带宽有限的白噪声来检验所提出的控制方法的抗 噪能力。 图 10 为噪声能量为 0.1 时电路有效值的波形， 从图中可知，即使控制参数相同，但电流值在某一 时间大于了限定电流 Iref. 通过仿真实验可得出本 文提出的控制方法的噪声容限为 0.074. 1 - n i m · r / n 1000 800 600 400 200 0 0 0.5 1 1.5 t / s 图 9 直接起动(虚线)和软起动(实线)转速波形 50 40 30 25 20 10 A / I 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t / s 图 10 加噪后电流波形 3 结束语 本文基于 MATLAB/SIMULINK 及电力系统模 块库来建立了三相异步电动机软起动 PID 控制系统 的仿真模型，并对其进行了仿真实验。仿真结果表 明，对电机软起动采用 PID 控制可以有效地减小起 动电流，并且与 PI 控制相比由于引入了微分环节， 是系统的电流偏差减小，响应速度加快，调节时间 缩短，因此本文所设计的控制系统是正确的、有效 的。 参考文献： [1] 闫朝阳, 张微, 顾和荣, 等. 双向开关高频变换型三相 异步电动机软起动器[J]. 电力电子技术, 2009, 43(12): 52-54. [2] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的 Matlab 仿真 [M]. 北京: 机械工业出版社, 2006:1-2. [3] 黄劭刚, 黄华高, 季国瑜. 基于 MATLAB 的异步电动机 软起动过程的仿真[J]. 辽宁工学院学报, 2003, 20(7): 101-104. (下转第 370 页) 

首先对土工膜水平伸出长度进行计算。利用式 (1)，可以计算出土工膜单位宽度上的许用应力 [TGM]=24 kN/m，把该值代入式(2)后，计算出土工 膜水平伸出长度 LH=2 m. 由于垃圾场上端采用槽 型锚固沟进行土工膜锚固设计，通过式(5)可以计 算得到槽型锚固沟许用应力[TAT]=24.73 kN/m，再利 用式(6)，有 φ = T ⎡ ⎣ GM T ⎡ ⎣ AT ⎤ ⎦ ⎤ ⎦ = 1.16 通过对锚固率的计算，锚固率大于 1，说明土 工膜有可能被从锚固沟中拉出，但不会发生土工膜 由于拉应力不足而破坏，这种情况是安全的。 3 锚固率的影响因素与控制措施 为了保证土工膜不被拉伸破坏，锚固率是最直 接的表达形式，其中影响土工膜锚固率的因素有边 坡坡度、土工膜厚度、覆盖土层厚度和土工膜水平 伸出长度等。 设计中为使锚固提供足够的抗拉力，特别是对 于高差达 5~10 m 的边坡，土工膜的自重力及填埋 作业时产生的拉力全部由锚固来承担，存在较大的 风险[6]。在锚固平台边缘，土工膜很容易被拉断、 撕裂，在设计中可以采取以下措施加以解决。 (1)加长锚固沟横断面的周长，将沟的形状设 计成收口式，提高锚固力。 (2)锚固平台边缘一定要修圆、磨光，其半径 不小于 500 mm. 本文针对城市垃圾填埋场中的土工膜锚固设 计问题进行了分析研究。从土工膜不同的锚固形式 出发，建立土工膜锚固的力学模型，推导出相应的 土工膜张力计算公式，并通过锚固率对土工膜的破 坏进行验证。同时也针对垃圾填埋场中土工膜的锚 固率影响因素进行分析，并针对土工膜的锚固问题 提出了三种控制措施，这将对防止土工膜破坏、保 护环境起到很大作用。 参考文献： [1] 张乾飞, 王艳明, 徐永福. 城市固体垃圾填埋场不均匀 沉降分析[J]. 岩土力学, 2007, 28(2): 404-408. [2] Giroud J P, Beech J F. Stability of Soil Layers on Geosynthetic Lining Systems[A]. Proceedings of Conference Geosynthetics, Industrial Fabrics Association International[C]. California: [s.n.]，1989: 35-46. [3] Wilson-Fahmy R F, Koerner R M. Finite Element Analysis of Stability of Cover Soil on Geomembranelined Slopes[A]. Proceedings of Conference Geosynthetics[C]. Canada: [s.n.], 1993: 1425-1437. [4] Koerner R M, Hwu B L. Stability and Tension on and Considerations Geomembranelined Geomembranes, 1991, 10(4): 335-355. Soils Geotextiles Regarding Slopes[J]. Cover [5] 张鹏, 王建华, 陈锦剑. 垃圾填埋场边坡上土工膜的拉 力与位移分析[J]. 岩土力学, 2004, 25(5): 789-792. [6] 王汉强, 沈楼燕, 吴国高. 固体废弃物处置堆存场环境 370 辽宁工业大学学报(自然科学版) 第 30 卷 土工膜的稳定进行验证。 4 结 语 岩土技术[M]. 北京: 科学出版社, 2007: 252-256. (3)选择带毛面的土工膜，加大土工膜与边坡 之间的摩擦，其中最有效的办法是用不锈钢螺栓按 一定间距将土工膜固定在边坡上。 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ (上接第 359 页) [4] 耿大勇, 贾丹, 李振刚. 基于 SIMULINK 异步电动机软 起动控制系统的仿真[J]. 辽宁工学院学报, 2006, 26(3): 141-143. [5] 刘金琨. 先进 PID 控制及其 MATLAB 仿真[M].北京: 电 子工业出版社, 2003: 1. 责任编校：孙 林 责任编校：孙 林