基于PLC控制的异步电动机软起动器的应用

1、基于PLC控制的异步电动机软起动器的应用李传伟 (威海职业学院,264210摘要:介绍软起动器的工作原理、运行方式、运行特点、控制方式等,并详细介绍了PLC在交流电机软启动中的应用关键词:异步电动机;软起动器;电动机起动特性;PLC控制中图分类号:TM571.6+1;TM343.+2 文献标识码:B 文章编号:1004-0420(200806-0055-030 引言在交流异步电机的启动控制中,常用全压直接启动和降压启动两种方式,作为传统的启动方式。但在某些有特殊要求的场合,这些传统的启动方式有着不少弊端。近年来,由于变频及软启动技术的发展,解决了电机控制中存在的一些难题,特别是软启动技术在解决

2、大、中容量的电机启动问题中有着卓越的功能,是降压启动的一项新技术。1 传统的启动方式及其缺陷1.1 传统启动方式存在的缺陷a.启动高达57倍的启动电流,造成电动机绕组因过热引起高温,加速绝缘老化;b.供电网络电压降过大,当电压 0.85U n时,影响其它设备的正常使用,尤其是欠压保护动作;c.启动时能量损失过大,浪费电能,尤其是当频繁启动时;d.对被带动的设备造成极大的冲击力,缩短设备使用寿命,影响精确度;e.造成机械传动部件的非正常磨损,加速设备老化,缩短寿命;.f接触器等控制设备故障率较高。1.2 传统启动方式的限制条件a.机械设备是否允许电机直接启动,这是先决条件;b.直接启动时,不允许

3、电机的容量大于10% 15%主变压器的容量;c.启动过程中电压降U不大于15%U n。以往解决中、大功率电动机的启动问题往往采用一些传统的启动方式及设备,如:频敏变阻器启动(只适用于绕线式电机、自藕变压器降压启动、Y/转换方式启动、延边三角形启动方式等。他们的启动方式性能如下表1:表1 启动方式性能比较表启动方式电阻降压自耦变压器降压Y/转换延边三角形1/212启动电压K U n KU n0.58U n0.78U n0.71U n0.66U n启动电流K IqK2I q0.33I q0.6I q0.5I q0.43I q 启动转矩K2M q K3M q0.33M q0.6M q0.5M q0.

4、43M q注:Un:额定电压;I q、M q:电动机全压启动时电流及启动转矩;K:降压系数=U q/U n,U q启动电压。这些传统的降压启动方式普遍存在着启动设备复杂,部分启动方式存在启动电流大或启动转矩偏小的缺陷,而且在电机的运行保护方面,存在着功能不完善或不灵敏的情况。而软启动技术作为一种先进的电机控制技术,在这些方面与传统的控制方式相比,有着无可比拟的优点,是控制技术的发展方向。2 软启动技术及其优点软启动是电动机启动的一种新技术,完全取代Y/启动、自藕变压器启动等传统启动器,广泛应用于工业各领域。软启动器是微处理器和大功率晶闸管相结合的新技术,用微处理器控制晶闸管导通角,从而改变晶闸

5、管的输出电压来达到降压启动的功能,软启动器在电动机控制的应用中有以下优点。2.1 提供灵活的启动方式选择及优越的启动特性可提供软启动、带可选突跳启动的软启动、限流启动及双斜坡启动和全压启动等启动方式选择,用户可根据自身要求及系统电网要求来选择相应的启动方式并设置启动参数,以达到最佳的启动效果。2.2 全功能保护系统软启动器不仅能提供过载保护,而且可提供各种应用交流!基于PLC控制的异步电动机软起动器的应用机床电器2008 6操作故障状态下的保护,诸如输入/输出缺相、电机堵转、晶闸管短路及失压、过压、短路等保护,其中,内置的过载保护功能可省去热继电器,使配电柜内布线更加简单、迅速。此外,不需增加

6、任何传感器或仪表,可读取电机的运行参数,如:电流、电压、功率、千瓦时及运行时间等。除了拥有强大的保护功能之外,软启动还具有故障自诊断功能,大大减少了以往故障查找与检修的时间,节省了人力。2.3 运行可靠,维修方便软启动器大电流运行无触点,采用交流开关无级调压,消除了系统中产生接触不良的影响,且调压范围宽,过载能力强,人性化的菜单界面可极为方便地查阅参数或修改参数,通过附加的通信网络接口达到自动化集中控制。2.4 节能运行随着电机负载率的变化,软启动自适应控制自动调整电机的转速,使电机运行功率因素相应提高,同时降低电机运行时的功率损耗。对经常启动且负载变化频繁的电机,节能效果显著。电机在负载到满

7、载范围内的最高综合节电效果可达损耗的40%左右。2.5 延长设备使用寿命,提高生产率电动机的软启动能有效降低启动机械应力,减少对传动元件的机械冲击,在液流系统中能有效消除喘振或液击问题,提高设备利用率,提高生产效率。软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置,对提高电力系统稳定和改善电能质量具有重要作用,其应用前景十分广阔。传统的减压启动方式都属于有级减压启动,存在明显缺点,即启动过程中出现二次冲击电流。软启动与传统减压启动方式的不同之处在于:a.无冲击电流。软启动器在启动电机时,通过逐渐增大晶闸管导通角,使电机启动电流从零线性上升至设定值。b.恒流启动

8、。软启动器可以引入电流闭环控制,使电机在启动过程中保持恒流,确保电机平稳启动。c.根据负载情况及电网继电保护特性选择,可自由地无级调整至最佳的启动电流。3 软启动器的工作原理软起动器主要由串接于电源和被控制电动机之间的反三相并联晶闸管的调压电路组成,利用晶闸管的电子开关特性,通过软起动器控制回路的单片机来控制晶闸管的触发脉冲,调节触发角的大小来改变晶闸管的导通角,从而达到改变加在定子绕组上的端电压的大小,达到改变电动机的转矩和启动特性。三相异步电动机直接启动时启动电流能达到额定电流的57倍。对于大功率的电机该电流将引起电网电压急剧下降,从而直接影响同电网其它设备的正常运行。当异步电动机的电路参

9、数保持不变时,在一定的范围内,额定电磁转矩T e与电源线电压U的平方成正比,而定子电流I与电源电压U成正比。因此,通过调节电机的电压就可以实现改变电机的启动转矩和启动电流。图1 所示为软启动器的结构原理图。图1 软启动器结 图2 一台软启动器带三台构原理图电机的结构原理图通常,软启动器和电机串接在电源上。在软启动前,首先闭合KM2,控制器通过控制软启动器中的晶闸管导通角改变加在电机上的电压,使得电机平缓地升速到额定转速;然后闭合K M1,断开K M2完成电机的软启动。电机启动完毕后,软启动器可以与电机完全断开。为提高设备的利用率,在实际应用中,经常出现一台软启动器带多台电机的情况,电机的启动通

10、过输出通道的切换实现。图2为一台软启动器带三台电机的结构原理图。4 软启器的工作方式电机的软启动通过控制串接于电源与被控电机之间的软启动器,控制其内部晶闸管的导通角,电机输入电压从零开始以预设函数关系逐渐上升,直至电机达到全电压。软启动一般有下面几种启动方式。4.1 斜坡升压软启动这种启动方式最简单,不具备电流闭环控制,仅调整晶闸管的导通角,使电机端电压与时间成一定函数关系增加,这种方式主要用在重载启动。优点是启动机床电器2008 6应用交流!基于PLC控制的异步电动机软起动器的应用转矩特性抛物线型上升,对拖动系统有利,启动平滑,柔性好,对拖动系统有更好的保护,延长拖动系统的使用寿命。其缺点是

11、由于不限流,在电机启动过程中,有时会产生较大的冲击电流使晶闸管损坏,对电网影响较大。斜坡升压启动方式如图3 所示。图3 斜坡升压启动方式 图4 斜坡恒流启动方式4.2 斜坡恒流启动方式这种启动方式是在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加,当电流达到预先所设定的电流值后保持恒定,直至启动完毕。这种方式主要用在轻载启动。在启动过程中,电流上升变化的速率可以根据电动机负载进行调整和设定。电流上升速率大,则启动转矩大,启动时间短。此种启动方式的缺点是在启动时难以知道启动压降,不能充分利用压降空间,损失启动力矩,对电动机不利。该启动方式是应用最多的启动方式,尤其适用于风机、泵类负载的启动。斜坡恒流启动方

12、式如图4所示。4.3 突跳加电压斜坡启动突跳加电压斜坡(又称转矩加突跳控制启动是在斜坡升压启动方式的基础上加一个电压突跳(又称转矩突跳,在启动开始阶段,让晶闸管在短时间内,以较大电流导通一段时间后回落,再按原设定值线性上升,进入恒流启动。它是在静惯量较大时用电压斜坡启动比较困难的场所,如风机负载。该启动方法,在一般负载中较少应用,适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。突跳加电压斜波启动方式如图5 所示。突跳加电压斜波启动方式5 PLC 控制软启器的实现在现代工业控制领域中,PLC 因其强大的控制功能、丰富地运算能力得到广泛地应用。相比较单片机而言,PLC 在抗干扰能力和可靠运行方面上,有着很

13、大的优势。针对交流电机的各种软启动方式,下面以西门子PLC S7-200为例加以详细地阐述。5.1 斜坡升压软启动由于这种启动方式不具备电流闭环控制,PLC 仅输出调整晶闸管导通角信号,该信号对应时间按一定的斜率增加。S7-200系列PLC 内部提供丰富的定时器功能,可以利用阶梯上升曲线的方式模拟斜坡曲线,亦可利用PLC 提供的积分功能,使输出信号按一定斜率输出。这两种方式均可实现斜坡信号输出和斜率调整,但相对积分器方式而言,阶梯模拟方式可操作性强。5.2 斜坡恒流软启动这种启动方式属于闭环控制,主要的调节参数为电机启动电流。在控制器的算法上可采用模糊控制,模糊控制器设计为双输入单输出。控制器

14、通过模拟输入通道检测电机的启动电流,计算出启动电流与设定值的偏差E 和在偏差变化率EC 作为模糊控制器的输入;模糊控制器依据E 和EC ,根据模糊控制规则经计算后得出输出值,此输出值经PLC 的D /A 转换后输出控制晶闸管导通。PLC 实现模糊控制时,可首先将模糊控制规则转化为数据表存放在PLC 存储区,这样就可大大减少控制中的计算量,PLC 仅通过偏差E 和偏差变化率EC 就可很快的得出输出值,提高控制的实时性。S7-200系列PLC 提供的指针访问方式,可以方便的在数据表中查找到输出值。5.3 突跳加电压斜坡启动此启动方式在实现上与斜坡升压方式相似,利用PLC 的定时器可以很容易的实现短

15、时间输出大电流后再回落。后续的实现方式同上所述。对于一拖三软启动器,PLC 除完成上述的控制功能外,还需实现电机的切换功能。S7-200系列PLC 具有强大的逻辑运算功能,在软件中通过对逻辑条件变量的置位和复位,实现电机选择的互锁,从而保证任一时刻仅有一个电机被选择软启动或软停车。6 软启动器的软件设计在电机的软启动过程中,为保证电机的安全运行,还需具备允许启动条件检测、故障跳闸和报警指示、电机启动方式选择功能等等。一拖三软启动器方案程序流程图如图6所示。(下转60页应用交流!基于PLC 网络的多异步电动机变频调速机床电器2008 6控制代码站号标识号命令等待时间首元件元件数数据校验和代码EN

16、Q(05H01FF WW7D0123010001FE 校验和SUM=(30H+31H+(46H,46H+ (57H,57H+(37H+(44H,30H,31H,32H,33H+ (30H,31H+(30H,30H,30H,31H=3FE H同, SUMH为#F,S UML为#E,对应的ASCII码为#46H,#45H。(1通信口初始化P rivate Sub Initia lize(M SComm1.Co mmPo rt=1M SComm1.Setti ng s=19600,n,8,1InpuM t ode=co m InpuM t odeB i naryRT hres ho l d=1Inp

17、ut L en=0O ut BufferCount=0InBuffe r Coun t=0M SComm1.H andshak i ng=comN oneM SComm1.Po rt Open=T rueEnd Sub(2发送命令报文 P r i vate Sub SendF ram e(D i m O utStr i ng A s Str i ngM SComm1.Ou t BufferCount=0M SComm1.Int BufferCount=0OutStri n=Chr(&H5+01+FF WW7D0123010001+FEM SComm1.Ou t put=Ou t Str

18、i ng4 结论通过PC对PLC网络的通信,实现多异步电动机的变频调速,可以根据现场的需要实现异步电动机的本地控制和远程控制,可以对PLC 网络上的异步电动机实现同频率运行、固定速比运行。参考文献:1 FX COMMUN I CAT I ON U SER%S M ANUA L(R S232C,R S485.M I T S U BIS H I ELECTR I C CORPORAT I ON.2 VFO变频器使用手册Z.松下电工株式会社.收稿日期:2008-08-29作者简介:漆海霞(1969-,女,工学硕士,高级工程师。(上接57页图6 一拖三软启动器程序流程图对于上述所述的软启动方式,PLC程序均可提供可修改的变量供用户根据实际情况进行参数调整,以改善启动效果,达到最佳效果。7 结束语通过对软启动器的分析,以PLC为控制器的软启动器能方便地实现对多台电机的软启动,其启动方式多种多样,从而减少电机启动对电网的冲击和减轻对设备的损害。PL