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摘 要：从异步电动机控制中软启动与一般降压启动的区别、软启动的类型入手，基于Altera公司的ACEX1K-EP1K30TC144-3的FPGA芯片对异步电动机软启动控制进行了仿真，并对实验结果进行了分析，以期为异步电动机控制中软启动技术的应用提供一些参考。
关键词：电气工程;软启动器;应用;节能
0 引言
目前，异步电动机已成为各类电力设备普遍应用的动力装置，涉及人们生活和社会发展的方方面面。传统的直流异步电动机由于换向问题，启动时会对电力系统的各组件带来较大的冲击，甚至会出现电网电压骤降问题，危害电网中其他电气设施的安全[1]。由此，为减少传统直流异步电动机对电网中其他电力设备的损害，保证电力设施正常的使用寿命，软启动技术被应用到更多的异步电动机控制之中。相较传统的一般降壓启动方式，软启动技术有着更为广泛的应用范围和更大的优势，能够使异步电动机平稳进入运行阶段。
1 软启动概述
1.1 软启动和一般降压启动的区别
一般来讲，降压启动是指在异步电动机启动时，通过自耦变压器降压启动等方式减小异步电动机启动电流，以此达到降低加到异步电动机定子绕组的电压，缩小直流电流对电力设备冲击的目的[2];而软启动技术则是通过在异步电动机中使用调压装置使异步电动机的启动电流在一定时间内呈缓慢、稳定上升的趋势，直至达到额定电压，完成异步电动机启动，进入正式运行环节。
如图1所示，异步电动机在不同端电压下具有不同的机械特性，可以看出一般降压启动方式产生的电流冲击性较大且稳定性不足，无法满足电力设备运行具有较高稳定性的要求。而采用软启动技术的异步电动机，在假设电动机启动电压同样为0.5Ue的条件下，其转矩增大趋势较为平稳，能够满足电力设备运行对稳定性的需要。软启动的运行主回路情况如图2所示。
异步电动机启动时，其电子电路将通过调整晶闸管的导通角实现软启动。异步电动机正式运行后，电子电路控制三相旁路接触器闭合，减少异步电动机功率的损耗和对其他设备的电流冲击[3]。同时，为减少谐波，异步电动机中的软启动技术将三相反并联晶闸管与三相交流电源以星型的连接方式相连，增加绕组中的电流以保证异步电动机良好的启动效率和运行效果。异步电动机启动完成后，若出现安全问题，软启动器将控制电子电路按事前设定的时间中止异步电动机的运行。同时，当异步电动机停机时，电子电路将同样通过控制晶闸管，改变异步电动机两端启动电压，使异步电动机的端电压平稳下降至零值，实现软停机。
1.2 软启动类型
1.2.1 不限流软启动和小斜率软启动
如图3所示，异步电动机启动时，启动电流呈一定斜率不受限制地上升至异步电动机启动完成，不限流软启动更适应重载的异步电动机启动场合。而小斜率软启动特点为异步电动机启动电流上升速率缓慢，变化率小，更适应要求异步电动机转矩变化较多的场合[4]。
1.2.2 阶跃恒流启动
如图4所示，异步电动机启动时，电子电路在较短时间内控制晶闸管接近全导通，后逐渐恢复至较小的导通角，更适用于静摩擦力较大的异步电动机启动场合。
1.2.3 恒流软启动
如图5所示，异步电动机启动时，启动电流以一定斜率缓慢上升至额定电压，后维持恒定至停机，适用范围较广。
2 异步电动机软启动控制的仿真
2.1 FPGA实现异步电动机软启动控制功能
采用Altera公司的FPGA芯片对异步电动机软启动控制器进行仿真，如图6所示。
2.2 系统主程序设计
异步电动机软启动控制系统主程序流程如图7所示。
控制系统主程序的核心作用是推动异步电动机软启动控制系统中的数据管理、数字信号通信、系统保护及启动与停止控制等功能的完成。
2.3 射频电路FPGA实现的软启动、软停车的子程序仿真结果
异步电动机软启动控制系统采用VHDL编程完成射频电路FPGA实现的软启动、软停车的子程序仿真。控制系统的主程序分别为参数设置、LED显示、D/A转换控制、A/D转换控制、定时器（启动/停机时间）控制、分频器程序等6个模块[5]。
参数设置子程序利用不同的按键和显示设定启动和停车的时间。开关一是用来切换软启动时间或软停机时间的关键，仿真结果如图8所示。
异步电动机软启动控制系统中的LED显示子程序显示的是软启动、软停车的时间以及软启动器的运行状态，仿真结果如图9所示。
FPGA发出斜坡启动电压的数字信号，转换为直流电压后触发芯片TC787，成为移相电压的输入信号。
通过A/D转换器把电压、电路等检测信号变换成数字信号送入射频电路FPGA处理，形成闭环。
将参数设置时间数字值送入D/A控制模块，产生控制异步电动机软启动控制系统软启动、软停车时间的数字信号，定时器子程序的仿真结果如图10所示。
将系统时钟变换成异步电动机软启动控制系统所需要的时钟信号，分频器程序的仿真结果如图11所示。
3 实验结果分析
本次实验所使用的三相异步电动机功率为650 W，额定电压为420 V，频率是65 Hz，额定转速是1 680 r/min。根据软启动、软停车的子程序仿真结果，同时分析启动时触发角达到180°、120°以及10°时异步电动机的相电压波形，可以得出，在三相异步电动机刚启动时，启动电流并未出现在异步电动机的定子两端，未产生较大的直流电压，大部分电压在电子电路的控制下来到了晶闸管的两端;随着触发角的减小，异步电动机两端的电压也在变化，异步电动机平稳达到额定转速;当触发角到达10°时，异步电动机基本进入运行状态。
4 结语
综上所述，实验证明，在一般降压启动时，异步电动机电流并不稳定，会给电动机本身及电网带来较大的冲击;异步电动机在软启动时，两端电压平稳、缓慢上升，对其他电力设施产生的冲击小，对电网的影响小，能够保证电力设施的正常使用，减少设备损坏带来的经济损失，因此具有较好的推广及应用价值。
[参考文献]
[1] 姜海龙.三相异步电机软启动方法浅析[J].军民两用技术与产品，2016（18）：128.
[2] 马勇，陶玉麒，蔡桂民，等.基于DSP的电机软启动控制系统研究与设计[J].电工技术，2016（10）：1-2.
[3] 章立.异步电机模糊调速矢量控制系统仿真研究[J].计算机与数字工程，2010，38（4）：150-153.
[4] 王智宇.三相异步电动机直接启动与限流式软起动的MATLAB对比仿真[J].中国设备工程，2017（20）：76-78.
[5] 苏以人.三相异步电动机软启动的分析[J].电气工程应用，2014（3）：51-52.
收稿日期：2021-07-27
作者简介：徐颖（1982—），男，湖北人，助理工程师，研究方向：电机启动与调速。
关键词：电气工程;软启动器;应用;节能
0 引言
目前，异步电动机已成为各类电力设备普遍应用的动力装置，涉及人们生活和社会发展的方方面面。传统的直流异步电动机由于换向问题，启动时会对电力系统的各组件带来较大的冲击，甚至会出现电网电压骤降问题，危害电网中其他电气设施的安全[1]。由此，为减少传统直流异步电动机对电网中其他电力设备的损害，保证电力设施正常的使用寿命，软启动技术被应用到更多的异步电动机控制之中。相较传统的一般降壓启动方式，软启动技术有着更为广泛的应用范围和更大的优势，能够使异步电动机平稳进入运行阶段。
1 软启动概述
1.1 软启动和一般降压启动的区别
一般来讲，降压启动是指在异步电动机启动时，通过自耦变压器降压启动等方式减小异步电动机启动电流，以此达到降低加到异步电动机定子绕组的电压，缩小直流电流对电力设备冲击的目的[2];而软启动技术则是通过在异步电动机中使用调压装置使异步电动机的启动电流在一定时间内呈缓慢、稳定上升的趋势，直至达到额定电压，完成异步电动机启动，进入正式运行环节。
如图1所示，异步电动机在不同端电压下具有不同的机械特性，可以看出一般降压启动方式产生的电流冲击性较大且稳定性不足，无法满足电力设备运行具有较高稳定性的要求。而采用软启动技术的异步电动机，在假设电动机启动电压同样为0.5Ue的条件下，其转矩增大趋势较为平稳，能够满足电力设备运行对稳定性的需要。软启动的运行主回路情况如图2所示。
异步电动机启动时，其电子电路将通过调整晶闸管的导通角实现软启动。异步电动机正式运行后，电子电路控制三相旁路接触器闭合，减少异步电动机功率的损耗和对其他设备的电流冲击[3]。同时，为减少谐波，异步电动机中的软启动技术将三相反并联晶闸管与三相交流电源以星型的连接方式相连，增加绕组中的电流以保证异步电动机良好的启动效率和运行效果。异步电动机启动完成后，若出现安全问题，软启动器将控制电子电路按事前设定的时间中止异步电动机的运行。同时，当异步电动机停机时，电子电路将同样通过控制晶闸管，改变异步电动机两端启动电压，使异步电动机的端电压平稳下降至零值，实现软停机。
1.2 软启动类型
1.2.1 不限流软启动和小斜率软启动
如图3所示，异步电动机启动时，启动电流呈一定斜率不受限制地上升至异步电动机启动完成，不限流软启动更适应重载的异步电动机启动场合。而小斜率软启动特点为异步电动机启动电流上升速率缓慢，变化率小，更适应要求异步电动机转矩变化较多的场合[4]。
1.2.2 阶跃恒流启动
如图4所示，异步电动机启动时，电子电路在较短时间内控制晶闸管接近全导通，后逐渐恢复至较小的导通角，更适用于静摩擦力较大的异步电动机启动场合。
1.2.3 恒流软启动
如图5所示，异步电动机启动时，启动电流以一定斜率缓慢上升至额定电压，后维持恒定至停机，适用范围较广。
2 异步电动机软启动控制的仿真
2.1 FPGA实现异步电动机软启动控制功能
采用Altera公司的FPGA芯片对异步电动机软启动控制器进行仿真，如图6所示。
2.2 系统主程序设计
异步电动机软启动控制系统主程序流程如图7所示。
控制系统主程序的核心作用是推动异步电动机软启动控制系统中的数据管理、数字信号通信、系统保护及启动与停止控制等功能的完成。
2.3 射频电路FPGA实现的软启动、软停车的子程序仿真结果
异步电动机软启动控制系统采用VHDL编程完成射频电路FPGA实现的软启动、软停车的子程序仿真。控制系统的主程序分别为参数设置、LED显示、D/A转换控制、A/D转换控制、定时器（启动/停机时间）控制、分频器程序等6个模块[5]。
参数设置子程序利用不同的按键和显示设定启动和停车的时间。开关一是用来切换软启动时间或软停机时间的关键，仿真结果如图8所示。
异步电动机软启动控制系统中的LED显示子程序显示的是软启动、软停车的时间以及软启动器的运行状态，仿真结果如图9所示。
FPGA发出斜坡启动电压的数字信号，转换为直流电压后触发芯片TC787，成为移相电压的输入信号。
通过A/D转换器把电压、电路等检测信号变换成数字信号送入射频电路FPGA处理，形成闭环。
将参数设置时间数字值送入D/A控制模块，产生控制异步电动机软启动控制系统软启动、软停车时间的数字信号，定时器子程序的仿真结果如图10所示。
将系统时钟变换成异步电动机软启动控制系统所需要的时钟信号，分频器程序的仿真结果如图11所示。
3 实验结果分析
本次实验所使用的三相异步电动机功率为650 W，额定电压为420 V，频率是65 Hz，额定转速是1 680 r/min。根据软启动、软停车的子程序仿真结果，同时分析启动时触发角达到180°、120°以及10°时异步电动机的相电压波形，可以得出，在三相异步电动机刚启动时，启动电流并未出现在异步电动机的定子两端，未产生较大的直流电压，大部分电压在电子电路的控制下来到了晶闸管的两端;随着触发角的减小，异步电动机两端的电压也在变化，异步电动机平稳达到额定转速;当触发角到达10°时，异步电动机基本进入运行状态。
4 结语
综上所述，实验证明，在一般降压启动时，异步电动机电流并不稳定，会给电动机本身及电网带来较大的冲击;异步电动机在软启动时，两端电压平稳、缓慢上升，对其他电力设施产生的冲击小，对电网的影响小，能够保证电力设施的正常使用，减少设备损坏带来的经济损失，因此具有较好的推广及应用价值。
[参考文献]
[1] 姜海龙.三相异步电机软启动方法浅析[J].军民两用技术与产品，2016（18）：128.
[2] 马勇，陶玉麒，蔡桂民，等.基于DSP的电机软启动控制系统研究与设计[J].电工技术，2016（10）：1-2.
[3] 章立.异步电机模糊调速矢量控制系统仿真研究[J].计算机与数字工程，2010，38（4）：150-153.
[4] 王智宇.三相异步电动机直接启动与限流式软起动的MATLAB对比仿真[J].中国设备工程，2017（20）：76-78.
[5] 苏以人.三相异步电动机软启动的分析[J].电气工程应用，2014（3）：51-52.
收稿日期：2021-07-27
作者简介：徐颖（1982—），男，湖北人，助理工程师，研究方向：电机启动与调速。