关注我们:新浪微博腾讯微博QQ空间

基于PLC的软启动器控制系统设计

文:长春橡胶轮胎有限公司 刘秀华 | 2019年第四期 (0) | (0)

摘要:采用软启动器,可以控制电动机电压,使其在启动过程中逐渐升高,很自然地控制启动电流,这就意味着电动机可以平稳启动,机械和电应力降至最小。因此软启动器在市场上得到广泛应用,并且软启动器所附带的软停车功能有效地避免水泵停止时所产生的“水锤效应”。本文主要研究PLC在低压启动柜中的控制,采用三菱PLC进行控制研究,分配I/O端子,编写程序,通过PLC的控制实现软启动、软停车以及一些指示动作。

关键词:PLC;软启动器;低压启动柜

0前言

可编程逻辑控制器PLC(ProgrammableLogicC1ontroller),是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物,是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器,是一种以微处理器为核心、用作数字控制的专用计算机。

自1969年针对工业自动控制的特点需要而开发的第一台PLC面试以来,迄今已经30多年了,其发展包含的前期控制技术的继承和演变,但又不同于顺序控制器和通用的微机控制装置。它不仅充分利用微处理器的优点来满足各种工业领域的实时控制要求,同时也照顾到现场电气操作人员的技能和习惯,摈弃了微机常用的计算机编程语言的表达方式独具风格地形成了一套以继电器梯形图为基础的形象编程语言和模块化的软件结构,是用户程序的编制清晰之直观,方便易学,调试和查错都很容易。

传统的三相异步电动机的启动线路比较简单,不需要增加额外的启动设备;但其启动电流冲击一般还很大,启动转矩较小而且固定不可调。而软启动器主要由交流调压电路和控制电路构成,其基本原理是利用晶闸管的移相控制原理,通过控制晶闸管的导通角,改变其输出电压,达到通过调压发稿时来控制启动电流和启动转矩的目的,由于软启动器为电子调压并对电流实时监测,因此还具有对电动机和软启动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击、三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能,并可实时检测并显示如电流、电压、功率因数等参数。

1软启动概述

软启动器是一种集电机软起动、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,国外称为SoftStarter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法,控制三相反并联闸管的导通角,使被控电机的输入电压按不同的要求而变化,就可实现不同的功能。

电动机软起动器是运用串接于电源与被控电机之间的软起动器,控制其内部晶闸管的导通角,使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升,直至起动结束,赋予电机全电压,即为软起动,在软起动过程中,电机起动转矩逐渐增加,转速也逐渐增加。

2电机启动

2.1三相异步电动机的启动

异步电动机以其优良的性能及无需维护的特点,在各行各业中得到广泛的应用。然而由于其起动时要产生较大冲击电流(一般为额定电流的5-8倍),同时由于起动应力较大,使负载设备的使用寿命降低。为此,人们往往需要配备限制电机起动电流的起动设备,过去人们多采用Y/△转换,自耦降压,磁控降压等方式来实现。这些方法虽然可以起到一定的限流作用,但没有从根本上解决问题

电动机带动生产机械的启动过程中,不同的生产机械有着不同的启动情况。有些机械在启动时负载转矩很小,负载转矩随着转速增加而与速度平方似成正比增加;有些机械在启动过程中接近空载,待速度上升至接近稳定时,再加负载;有些机械在启动时的负载转矩与正常运行是一样大,此外,还有频繁启动的机械设备等。以上这些因素都将对电动机的启动性能之一的启动转矩提出不同的要求。

与直流电动机一样,衡量三相异步电动机启动性能好坏的最主要的是启动电流和启动转矩,我们总希望在启动电流较小的情况下获得较大的启动转矩。但是一台普通的三相异步电动机不采措施而直接投入电网启动,即全压启动时,其启动电流较大,而启动转矩却不是很大,这对电网或电动机自身均是不利的。

启动电流大的原因是,当电动机接入电网的启动瞬时由于n=0,转子处于静止状态,则旋转磁场以n1切割转子导体,故转子电动势及电流到达最大值,因而定子电流即启动电流也到达最大值,约是额定电流的5~7倍,这样大的启动电流会使电源和供电线路上的压降增大,引起电网电压波动,影响并联在同一电网上其他负载正常工作。对于电动机本身来说,虽然启动电流大,但持续时间不长,损耗引起的温度增加来不及升到过热程度,因而不致起破坏左右。

启动转矩不大的原因是:第一,由于启动电流很大,定子绕组中的阻抗压降增大,而电源电压不变,根据定子电路的电势平衡方程式,感应电动势减小,则主磁通Φ1将与感应电动势成比例的减小;第二,启动时s=1,转子漏抗比转子

电阻大的多,转子功率因数很低,虽然启动电流很大,但转子电流的有功分量并不大。起动转矩并不大,一般为额定转矩的1.8~2倍。

根据以上分析可知三相异步电动机启动时的起动电流大主要对电网不利;启动转矩不是很大对负载不利,这是因为若电源电压因种种原因下降较多,则会引起起动转矩按电压平方下降,可能会是电动机带不动负载启动。一般情况下启动是要求尽可能降低起动电流,有足够大的启动转矩,同时启动设备尽可能经济简单,操作方便,且启动时间要短。

2.2电机全压启动的危害

从三相异步电动机固有机械特性的分析中知道,如果在额定电压直接起动三相异步电动机,由于最初起动瞬间主磁通约减少到额定值的一半,功率因数又很低,造成了起动电流相当大而起动转矩并不大的结果。以普通鼠笼式三相异步电动机为例,起动电流:IS=KIIN=(4-7)IN,起动转矩:TS=KTTN=(0.9-1.3)TN。再看对供电变压器的影响,整个交流电网的容量相对于单个的三相异步电动机来讲是非常大的。但是具体到直接供电的变压器来讲,容量却是有限的。配电变压器的容量是按其供电的负载总容量设置的,正常运行条件下,变压器由于电流不超过额定电流,其输出电压比较稳定,电压变化率在允许的范围之内。三相异步电动机起动时,变压器提供较大的起动电流,会使变压器输出电压下降。若变压器额定容量相对很大、电动机额定功率相对很小时,短时起动电流不会使

变压器输出电压下降多少,因此也没有什么关系。若变压器额定容量相对不够大、电动机额定功率相对不算小时,电动机短时较大的起动电流,会使变压器输出电压短时下降幅度较大,超过了正常值,这样一来,影响了几个方面:

①起动电动机本身,由于电压太低起动转矩下降很多,当负载较重时,可能起动不了。电动机较大的起动电流引起电压下降,对电动机本身有着不良影响,因电压太低会使电动机起动转矩下降很多,当负载较重时,电动机可能不能起动。

②通常电动机起动过程时间很短,短时间过大的电流,从发热角度来看,电动机本身是可以承受的。但是,对于起动频繁的电动机,过大的起动电流会使电动机内部过热,导致电机温升过高,使电机绕组绝缘过热而老化。

大中异步电动机直接起动的再一个危害就是影响由同一台配电变压器供电的其他负载。显然,即使是偶尔出现一次,也是不允许的。从上边分析看出,变压器额定容量相对电动机讲不足够大时,三相异步电动机不允许直接起动。

3系统原理和方案设计

软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器,将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直到晶闸管全导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现平滑启动,降低启动电流,避免启动过流跳闸。

3.1软启动软停车原理分析

磁控式可调电抗原理图如图,电抗原始值为LO,可调电源的电流值改变时,由于互感的作用,电抗的输出值也随之变化,合理选择电感参数,可使电源电压由小到大变化时电抗输出值在L0~LO之间变化。

在实际装置中电抗有三组,分别串联在电机的三相绕组中。可调电源为可控硅,通过改变可控硅的触发角来改变输出电压,从而改变电抗的输出电抗值。

3.2主回路图

L1,L2,L3为三相电源的三根接线,QF为断路器,KM为旁路接触器触点,M为电动机。

先合上断路器QF,电动机开始启动。软启动器调节可控硅的导通角,使电动机逐渐加速。经延时,电动机转速达到额定转速,软启动完成,旁路回路接触器KM动作,接通旁路回路,将软启动器短接,让电源直接经KM触点,电动机正常工作,软启动结束。启动完成后,让电源经由旁路,这样延长了软启动器的寿命,同时也使电网避免了谐波污染。

3.3软启动分析

电机软启动时,按下启动按钮软启动器接通,继电器KA1吸合自锁,停止指示灯灭,开始软启动工作。经延时,电机转速接近(或者达到)额定转速后,软启动结束。PLC接受信号控制旁路接触器的控制触点动作,KM闭合,接通旁路,使软启动内部的主电路短接,让电源直接经KM主触点,电动机正常工作。

3.4软停车分析

电机正常运转,旁路接触器的控制触点动作,KM断开,此时接通软启动器,电机缓慢减速,经过延时Xs(软启动器设置的软停时间)KA1断开,KM和KA1都断开,则停止指示灯亮,电机停止通电。软停车可以有效地避免水泵停止时所产生的“水锤效应”。

4硬件设计

根据装置工作需要,选用合适的PLC是关键所在。在本设计中选择性价比较高的日本三菱公司的FX2N系列FX2N-16MR-001可编程控制器来构建控制系统。采用交流220V电源供电,主模块本身带有8路开关量输入,用于检测控制命令和开关状态;6路继电器型开关量输出,用于各操作开关的控制。

FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先进的系列。有高速处理及可扩展大量满足单个需要的特殊功能模块,灵活性和控制能力强。其具有以下功能软停车,电机正常运行,若电动机存在故障,则关闭软启动器,旁路断开,电动机直接停止。无故障则开始软停车,旁路接触器断开,电源经软启动器,电动机逐渐减速。经延时,电动机停止转动,则软停车完成,软启动器主电路继电器断开,软启动器停止工作,软停车启动结束。

在实际的生产应用当中,往往需要实现一台软启动器对多台电动机的起动,所以,用PLC实现“一拖多”就具备了极其实用的意义。软起动器可设置为软起动、软停止,限流起动和智能制动等工作方式,软起动器特别适用于大容量电动机的起动、停止控制,它实际上是一种智能的产品。

5总结

本文针对基于PLC控制的三相异步电动机的软启动、软停车等控制问题,设计了以PLC为核心的智能控制系统,实现了电动机的软启动、软停车,还兼有各种具有时间共用的小设计,以及电路的保护功能。利用软启动器启动电动机,能够是电动机平滑启动,避免了电动机直接启动时产生的巨大电流对电网的冲击以及硬停车时产生的“水锤效应”。


发表评论

网友评论仅供其表达个人看法,并不表明控制与传动周刊同意其观点或证实其描述

杂志订阅

填写邮件地址,订阅精彩资讯:

杂志目录

更多往期杂志

关注我们:

新浪微博腾讯微博QQ空间

友情链接:

纸质杂志

给我们写信