異步電動機控制中軟啟動技術的應用研究

摘 要：從異步電動機控制中軟啟動與一般降壓啟動的區別、軟啟動的類型入手，基于Altera公司的ACEX1K-EP1K30TC144-3的FPGA芯片對異步電動機軟啟動控制進行了仿真，并對實驗結果進行了分析，以期為異步電動機控制中軟啟動技術的應用提供一些參考。

關鍵詞：電氣工程;軟啟動器;應用;節能

0??? 引言

目前，異步電動機已成為各類電力設備普遍應用的動力裝置，涉及人們生活和社會發展的方方面面。傳統的直流異步電動機由于換向問題，啟動時會對電力系統的各組件帶來較大的沖擊，甚至會出現電網電壓驟降問題，危害電網中其他電氣設施的安全[1]。由此，為減少傳統直流異步電動機對電網中其他電力設備的損害，保證電力設施正常的使用壽命，軟啟動技術被應用到更多的異步電動機控制之中。相較傳統的一般降壓啟動方式，軟啟動技術有著更為廣泛的應用范圍和更大的優勢，能夠使異步電動機平穩進入運行階段。

1??? 軟啟動概述

1.1??? 軟啟動和一般降壓啟動的區別

一般來講，降壓啟動是指在異步電動機啟動時，通過自耦變壓器降壓啟動等方式減小異步電動機啟動電流，以此達到降低加到異步電動機定子繞組的電壓，縮小直流電流對電力設備沖擊的目的[2];而軟啟動技術則是通過在異步電動機中使用調壓裝置使異步電動機的啟動電流在一定時間內呈緩慢、穩定上升的趨勢，直至達到額定電壓，完成異步電動機啟動，進入正式運行環節。

如圖1所示，異步電動機在不同端電壓下具有不同的機械特性，可以看出一般降壓啟動方式產生的電流沖擊性較大且穩定性不足，無法滿足電力設備運行具有較高穩定性的要求。而采用軟啟動技術的異步電動機，在假設電動機啟動電壓同樣為0.5Ue的條件下，其轉矩增大趨勢較為平穩，能夠滿足電力設備運行對穩定性的需要。軟啟動的運行主回路情況如圖2所示。

異步電動機啟動時，其電子電路將通過調整晶閘管的導通角實現軟啟動。異步電動機正式運行后，電子電路控制三相旁路接觸器閉合，減少異步電動機功率的損耗和對其他設備的電流沖擊[3]。同時，為減少諧波，異步電動機中的軟啟動技術將三相反并聯晶閘管與三相交流電源以星型的連接方式相連，增加繞組中的電流以保證異步電動機良好的啟動效率和運行效果。異步電動機啟動完成后，若出現安全問題，軟啟動器將控制電子電路按事前設定的時間中止異步電動機的運行。同時，當異步電動機停機時，電子電路將同樣通過控制晶閘管，改變異步電動機兩端啟動電壓，使異步電動機的端電壓平穩下降至零值，實現軟停機。

1.2??? 軟啟動類型

1.2.1??? 不限流軟啟動和小斜率軟啟動

如圖3所示，異步電動機啟動時，啟動電流呈一定斜率不受限制地上升至異步電動機啟動完成，不限流軟啟動更適應重載的異步電動機啟動場合。而小斜率軟啟動特點為異步電動機啟動電流上升速率緩慢，變化率小，更適應要求異步電動機轉矩變化較多的場合[4]。

1.2.2??? 階躍恒流啟動

如圖4所示，異步電動機啟動時，電子電路在較短時間內控制晶閘管接近全導通，后逐漸恢復至較小的導通角，更適用于靜摩擦力較大的異步電動機啟動場合。

1.2.3??? 恒流軟啟動

如圖5所示，異步電動機啟動時，啟動電流以一定斜率緩慢上升至額定電壓，后維持恒定至停機，適用范圍較廣。

2??? 異步電動機軟啟動控制的仿真

2.1??? FPGA實現異步電動機軟啟動控制功能

采用Altera公司的FPGA芯片對異步電動機軟啟動控制器進行仿真，如圖6所示。

2.2??? 系統主程序設計

異步電動機軟啟動控制系統主程序流程如圖7所示。

控制系統主程序的核心作用是推動異步電動機軟啟動控制系統中的數據管理、數字信號通信、系統保護及啟動與停止控制等功能的完成。

2.3??? 射頻電路FPGA實現的軟啟動、軟停車的子程序仿真結果

異步電動機軟啟動控制系統采用VHDL編程完成射頻電路FPGA實現的軟啟動、軟停車的子程序仿真。控制系統的主程序分別為參數設置、LED顯示、D/A轉換控制、A/D轉換控制、定時器（啟動/停機時間）控制、分頻器程序等6個模塊[5]。

參數設置子程序利用不同的按鍵和顯示設定啟動和停車的時間。開關一是用來切換軟啟動時間或軟停機時間的關鍵，仿真結果如圖8所示。

異步電動機軟啟動控制系統中的LED顯示子程序顯示的是軟啟動、軟停車的時間以及軟啟動器的運行狀態，仿真結果如圖9所示。

FPGA發出斜坡啟動電壓的數字信號，轉換為直流電壓后觸發芯片TC787，成為移相電壓的輸入信號。

通過A/D轉換器把電壓、電路等檢測信號變換成數字信號送入射頻電路FPGA處理，形成閉環。

將參數設置時間數字值送入D/A控制模塊，產生控制異步電動機軟啟動控制系統軟啟動、軟停車時間的數字信號，定時器子程序的仿真結果如圖10所示。

將系統時鐘變換成異步電動機軟啟動控制系統所需要的時鐘信號，分頻器程序的仿真結果如圖11所示。

3??? 實驗結果分析

本次實驗所使用的三相異步電動機功率為650 W，額定電壓為420 V，頻率是65 Hz，額定轉速是1 680 r/min。根據軟啟動、軟停車的子程序仿真結果，同時分析啟動時觸發角達到180°、120°以及10°時異步電動機的相電壓波形，可以得出，在三相異步電動機剛啟動時，啟動電流并未出現在異步電動機的定子兩端，未產生較大的直流電壓，大部分電壓在電子電路的控制下來到了晶閘管的兩端;隨著觸發角的減小，異步電動機兩端的電壓也在變化，異步電動機平穩達到額定轉速;當觸發角到達10°時，異步電動機基本進入運行狀態。

4??? 結語

綜上所述，實驗證明，在一般降壓啟動時，異步電動機電流并不穩定，會給電動機本身及電網帶來較大的沖擊;異步電動機在軟啟動時，兩端電壓平穩、緩慢上升，對其他電力設施產生的沖擊小，對電網的影響小，能夠保證電力設施的正常使用，減少設備損壞帶來的經濟損失，因此具有較好的推廣及應用價值。

[參考文獻]

[1] 姜海龍.三相異步電機軟啟動方法淺析[J].軍民兩用技術與產品，2016（18）：128.

[2] 馬勇，陶玉麒，蔡桂民，等.基于DSP的電機軟啟動控制系統研究與設計[J].電工技術，2016（10）：1-2.

[3] 章立.異步電機模糊調速矢量控制系統仿真研究[J].計算機與數字工程，2010，38（4）：150-153.

[4] 王智宇.三相異步電動機直接啟動與限流式軟起動的MATLAB對比仿真[J].中國設備工程，2017（20）：76-78.

[5] 蘇以人.三相異步電動機軟啟動的分析[J].電氣工程應用，2014（3）：51-52.

收稿日期：2021-07-27

作者簡介：徐穎（1982—），男，湖北人，助理工程師，研究方向：電機啟動與調速。