丰和软起动

摘要：主要介绍了模糊控制结合16位单片机在笼型异电动机软起动器中的应用。并介绍了软起动器的使用背景、整个系统的工作原理、硬件的构成、软件的设计思想以及模糊控制的主要策略和软件编程方法。

1。引言
异步电动机的应用相当广泛，且其性能稳定，作为动力执行件几乎无处不有。例如在工业、农业、交通运输业、商业家庭等领域。但异步电动机也有它本身所固有的缺点。其一，异步电动机在起动瞬时电流冲击很大，一般可达其额定电流的5～8倍甚至更大，这将对电网造成冲击，使电网电压突降许多，直接影响其他在网用电设备的正常工作；其二，异步电动机起动时的转矩也有很大的冲击，一般可达额定转矩的两倍以上，这将造成机械应力冲击，影响电动机本身以及其所拖动设备的使用寿命。
世界各国为保证电网的供电品质，针对电动机的起动均有明确规定。我国的规定是，电动机起动时，电网电压的下降不能超过网压的15。这对一般用户来讲，无非有两条解决办法，其一，增大用户契约配电容量；其二，采用起动设备限制电动机的起动电流。如果仅仅为起动电动机而增大契约配电容量，从经济角度上来讲显然不可取。
目前，大部分电动机起动时往往使用传统的降压起动设备，如饱和电抗器降压起动设备、自耦变压器降压起动设备、甚至/转换降压起动设备，这些起动设备在很大程度上缓解了较大容量电动机在较小容量电网上起动使用的矛盾。但就其根本而言，它并没有解决电动机起时的瞬间电流冲击问题，它只缩短了电动机在起动过程中相对较长时间的大电流冲击。而且这些起动设备出厂后其各段转换电压不再可调，这意味着它的负载适应力差，即使电动机负载很轻时，它的起动电流较之负载较重时的起动电流没有明显的减小。并且，这些起动设备在控制电动机起动电流过程中，其起动电流不是连续的，当发生电压转换时，电动机亦将有瞬时的大电流冲击。何况这些传统的起动设备所应用的转换触点多，因而故障多，维修工作量大。
显而易见，我们需要这样一种起动控制设备：能针对负载的轻重控制其起动电流的大小，起动控制过程中电流无瞬间冲击而连续变化的软起动器。当然，变频器对电动机的起动具有较理想的控制效果，但仅用变频器做软起动器用，成本过高。所以，我们开发了一种基于可控硅相控理论结合模糊控制基础上的且性能价格比高的软起动器。
2. 基本原理
SFT系列软启动控制器采用了现代电力电子技术及以十六位微电脑8797为核心的模糊控制技术,在电动机的启动过程中,按用户所期望的启动特性,对电动机进行自动控制,使其平滑可靠地完成启动过程。SFT系列软启动控制器的原理图如下:

SFT系列软启动控制器采用三对反并联的可控硅串接于电动机的三相供电线路上,利用可控硅的电子开关特性,通过微电脑8096控制其触发角的大小来改变可控硅的开通程度,由此改变电动机输入电压的大小,以达到控制电动机的启动特性。
当软启动控制器的微电脑控制系统接收到启动指令后,便进行有关的模糊推理和决策,确定可控硅的触发信号。通过控制可控硅使软启动器按所设定的方式,输出相应的电压,以控制电动机的启动过程。
当电动机启动过程完成后,软启动器便控制一交流接触器吸合,短掉所有可控硅,使电动机直接投网运行。避免不必要的能源损耗。

说明：1：16位单片机（8797BH）内部有8K的ROM，用户可一次性写入。
2：93C46为E2ROM存储器，用于保存设置的有关数据。
3：三相同步信号经隔离整形后送入P1口供CPU查询，另一路产生相隔60度方波信号，送入高速输入口，用其上升沿和下降沿作为触发中断信号。当中断响应时，查询P1口的同步信号，再确定该往哪个可控硅发出触发脉冲。
4：8797BH的六路高速输出口用于输出六个可控硅的触发脉冲。每路输出脉冲先调制成脉冲列，再隔离放大后送入末极驱动单元。

4. 软件设计
开发软起动器的前期，我们采用传统的PID调节器的控制方法，结果是电动机在起动过程中产生的振荡现象使我们束手无策。所以我们采用了模糊控制的方法，很好地解决了这一问题。
在该控制系统中，输入变量有两个，即软起动器的输出电流I和输出电流的变化率

。每个输入变量有三个模糊子集，所以共有九条模糊推理规则。最终输出变量是可控硅触发角的前移速度。这九条模糊推理规则如下：
IF I大 AND

大 THEN 停止前移
IF I大 AND

中 THEN 前移速度减慢
IF I大 AND

小 THEN 前移速度略减慢
IF I中 AND

大 THEN 前移速度减慢
IF I中 AND

中 THEN 前移速度不变
IF I中 AND

小 THEN 前移速度略加快
IF I小 AND

大 THEN 前移速度略减慢
IF I小 AND

中 THEN 前移速度不变
IF I小 AND

小 THEN 前移速度加快

每个输入模糊子集的隶属函数使用梯形表示法，规则推理采用最小-最大值(Min-Max)方法,模糊决策采用加权平均判决法。控制系统软件主要结构图如下：

5. 与传统起动设备的性能比较

   SFT系列模糊控制软起动器较传统的起动设备主要有以下优越性：
      1.控制机理先进，性能价格比高。适合现代工业控制。
      2.电动机起动平滑,且起始电压可调,保证电机启动的最小启动转矩。
      3.启动电流可根据负载情况调整,可更有效地降低用户契约用电容量。
      4.启动时间可调.在该时间范围内,电动机转速逐渐上升,避免转速冲击。
      5.减少启动时的机械应力冲击,保护电动机及所拖动的设备,延长其使用寿命。
      6.自由停车和软停车可选,软停车快慢可调。
      7.具有点动功能,点动转矩可调。
      8.可满足部分生产工艺,优化生产过程。
      9.性能可靠,使用操作简单方便,显示直观。投放市场四年，反修率小于1%。
      10.有相序、缺相、过热、启动过程过流、运行过程过流和过载的检测及保护,其过流值和过载值可调。

     SFT系列模糊控制软起动器与传统的起动设备的起动电流波形比较：

参考文献
1 《计算机模糊控制原理及应用》北京航空航天大学出版社
2 《单片机控制技术》复旦大学出版社