摘要：采用軟啟動(dòng)器，可以控制電動(dòng)機(jī)電壓，使其在啟動(dòng)過(guò)程中逐漸升高，很自然地控制啟動(dòng)電流，這就意味著電動(dòng)機(jī)可以平穩(wěn)啟動(dòng)，機(jī)械和電應(yīng)力降至最小。因此軟啟動(dòng)器在市場(chǎng)上得到廣泛應(yīng)用，并且軟啟動(dòng)器所附帶的軟停車(chē)功能有效地避免水泵停止時(shí)所產(chǎn)生的“水錘效應(yīng)”。本文主要研究PLC在低壓?jiǎn)?dòng)柜中的控制，采用三菱PLC進(jìn)行控制研究，分配I/O端子，編寫(xiě)程序，通過(guò)PLC的控制實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)以及一些指示動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：PLC；軟啟動(dòng)器；低壓?jiǎn)?dòng)柜

0前言

可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicC1ontroller），是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制器，是一種以微處理器為核心、用作數(shù)字控制的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)。

自1969年針對(duì)工業(yè)自動(dòng)控制的特點(diǎn)需要而開(kāi)發(fā)的第一臺(tái)PLC面試以來(lái)，迄今已經(jīng)30多年了，其發(fā)展包含的前期控制技術(shù)的繼承和演變，但又不同于順序控制器和通用的微機(jī)控制裝置。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來(lái)滿(mǎn)足各種工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)時(shí)控制要求，同時(shí)也照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作人員的技能和習(xí)慣，擯棄了微機(jī)常用的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言的表達(dá)方式獨(dú)具風(fēng)格地形成了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語(yǔ)言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，是用戶(hù)程序的編制清晰之直觀(guān)，方便易學(xué)，調(diào)試和查錯(cuò)都很容易。

傳統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)線(xiàn)路比較簡(jiǎn)單，不需要增加額外的啟動(dòng)設(shè)備；但其啟動(dòng)電流沖擊一般還很大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小而且固定不可調(diào)。而軟啟動(dòng)器主要由交流調(diào)壓電路和控制電路構(gòu)成，其基本原理是利用晶閘管的移相控制原理，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角，改變其輸出電壓，達(dá)到通過(guò)調(diào)壓發(fā)稿時(shí)來(lái)控制啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的目的，由于軟啟動(dòng)器為電子調(diào)壓并對(duì)電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此還具有對(duì)電動(dòng)機(jī)和軟啟動(dòng)器本身的熱保護(hù)、限制轉(zhuǎn)矩和電流沖擊、三相電源不平衡、缺相、斷相等保護(hù)功能，并可實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示如電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)。

1軟啟動(dòng)概述

軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國(guó)外稱(chēng)為SoftStarter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。

電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器是運(yùn)用串接于電源與被控電機(jī)之間的軟起動(dòng)器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓，即為軟起動(dòng)，在軟起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。

2電機(jī)啟動(dòng)

2.1三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)

異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能及無(wú)需維護(hù)的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。然而由于其起動(dòng)時(shí)要產(chǎn)生較大沖擊電流(一般為額定電流的5-8倍)，同時(shí)由于起動(dòng)應(yīng)力較大，使負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。為此，人們往往需要配備限制電機(jī)起動(dòng)電流的起動(dòng)設(shè)備，過(guò)去人們多采用Y/△轉(zhuǎn)換，自耦降壓，磁控降壓等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些方法雖然可以起到一定的限流作用，但沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題

電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)過(guò)程中，不同的生產(chǎn)機(jī)械有著不同的啟動(dòng)情況。有些機(jī)械在啟動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩很小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速增加而與速度平方似成正比增加；有些機(jī)械在啟動(dòng)過(guò)程中接近空載，待速度上升至接近穩(wěn)定時(shí)，再加負(fù)載；有些機(jī)械在啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩與正常運(yùn)行是一樣大，此外，還有頻繁啟動(dòng)的機(jī)械設(shè)備等。以上這些因素都將對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能之一的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩提出不同的要求。

與直流電動(dòng)機(jī)一樣，衡量三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能好壞的最主要的是啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，我們總希望在啟動(dòng)電流較小的情況下獲得較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但是一臺(tái)普通的三相異步電動(dòng)機(jī)不采措施而直接投入電網(wǎng)啟動(dòng)，即全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，其啟動(dòng)電流較大，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不是很大，這對(duì)電網(wǎng)或電動(dòng)機(jī)自身均是不利的。

啟動(dòng)電流大的原因是，當(dāng)電動(dòng)機(jī)接入電網(wǎng)的啟動(dòng)瞬時(shí)由于n=0，轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)，則旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以n1切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，故轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢(shì)及電流到達(dá)最大值，因而定子電流即啟動(dòng)電流也到達(dá)最大值，約是額定電流的5~7倍，這樣大的啟動(dòng)電流會(huì)使電源和供電線(xiàn)路上的壓降增大，引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響并聯(lián)在同一電網(wǎng)上其他負(fù)載正常工作。對(duì)于電動(dòng)機(jī)本身來(lái)說(shuō)，雖然啟動(dòng)電流大，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，損耗引起的溫度增加來(lái)不及升到過(guò)熱程度，因而不致起破壞左右。

啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不大的原因是：第一，由于啟動(dòng)電流很大，定子繞組中的阻抗壓降增大，而電源電壓不變，根據(jù)定子電路的電勢(shì)平衡方程式，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，則主磁通Φ1將與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)成比例的減小；第二，啟動(dòng)時(shí)s=1，轉(zhuǎn)子漏抗比轉(zhuǎn)子

電阻大的多，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，雖然啟動(dòng)電流很大，但轉(zhuǎn)子電流的有功分量并不大。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大，一般為額定轉(zhuǎn)矩的1.8~2倍。

根據(jù)以上分析可知三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流大主要對(duì)電網(wǎng)不利；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不是很大對(duì)負(fù)載不利，這是因?yàn)槿綦娫措妷阂蚍N種原因下降較多，則會(huì)引起起動(dòng)轉(zhuǎn)矩按電壓平方下降，可能會(huì)是電動(dòng)機(jī)帶不動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)。一般情況下啟動(dòng)是要求盡可能降低起動(dòng)電流，有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)啟動(dòng)設(shè)備盡可能經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，且啟動(dòng)時(shí)間要短。

2.2電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)的危害

從三相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性的分析中知道，如果在額定電壓直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，由于最初起動(dòng)瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù)又很低，造成了起動(dòng)電流相當(dāng)大而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大的結(jié)果。以普通鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)為例，起動(dòng)電流：IS=KIIN=（4-7）IN，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：TS=KTTN=（0.9-1.3）TN。再看對(duì)供電變壓器的影響，整個(gè)交流電網(wǎng)的容量相對(duì)于單個(gè)的三相異步電動(dòng)機(jī)來(lái)講是非常大的。但是具體到直接供電的變壓器來(lái)講，容量卻是有限的。配電變壓器的容量是按其供電的負(fù)載總?cè)萘吭O(shè)置的，正常運(yùn)行條件下，變壓器由于電流不超過(guò)額定電流，其輸出電壓比較穩(wěn)定，電壓變化率在允許的范圍之內(nèi)。三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，變壓器提供較大的起動(dòng)電流，會(huì)使變壓器輸出電壓下降。若變壓器額定容量相對(duì)很大、電動(dòng)機(jī)額定功率相對(duì)很小時(shí)，短時(shí)起動(dòng)電流不會(huì)使

變壓器輸出電壓下降多少，因此也沒(méi)有什么關(guān)系。若變壓器額定容量相對(duì)不夠大、電動(dòng)機(jī)額定功率相對(duì)不算小時(shí)，電動(dòng)機(jī)短時(shí)較大的起動(dòng)電流，會(huì)使變壓器輸出電壓短時(shí)下降幅度較大，超過(guò)了正常值，這樣一來(lái)，影響了幾個(gè)方面：

①起動(dòng)電動(dòng)機(jī)本身，由于電壓太低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很多，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，可能起動(dòng)不了。電動(dòng)機(jī)較大的起動(dòng)電流引起電壓下降，對(duì)電動(dòng)機(jī)本身有著不良影響，因電壓太低會(huì)使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降很多，當(dāng)負(fù)載較重時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能不能起動(dòng)。

②通常電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程時(shí)間很短，短時(shí)間過(guò)大的電流，從發(fā)熱角度來(lái)看，電動(dòng)機(jī)本身是可以承受的。但是，對(duì)于起動(dòng)頻繁的電動(dòng)機(jī)，過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電動(dòng)機(jī)內(nèi)部過(guò)熱，導(dǎo)致電機(jī)溫升過(guò)高，使電機(jī)繞組絕緣過(guò)熱而老化。

大中異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的再一個(gè)危害就是影響由同一臺(tái)配電變壓器供電的其他負(fù)載。顯然，即使是偶爾出現(xiàn)一次，也是不允許的。從上邊分析看出，變壓器額定容量相對(duì)電動(dòng)機(jī)講不足夠大時(shí)，三相異步電動(dòng)機(jī)不允許直接起動(dòng)。

3系統(tǒng)原理和方案設(shè)計(jì)

軟啟器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過(guò)流跳閘。

3.1軟啟動(dòng)軟停車(chē)原理分析

磁控式可調(diào)電抗原理圖如圖，電抗原始值為L(zhǎng)O，可調(diào)電源的電流值改變時(shí)，由于互感的作用，電抗的輸出值也隨之變化，合理選擇電感參數(shù)，可使電源電壓由小到大變化時(shí)電抗輸出值在L0~LO之間變化。

在實(shí)際裝置中電抗有三組，分別串聯(lián)在電機(jī)的三相繞組中?？烧{(diào)電源為可控硅，通過(guò)改變可控硅的觸發(fā)角來(lái)改變輸出電壓，從而改變電抗的輸出電抗值。

3.2主回路圖

L1,L2,L3為三相電源的三根接線(xiàn)，QF為斷路器，KM為旁路接觸器觸點(diǎn)，M為電動(dòng)機(jī)。

先合上斷路器QF，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。軟啟動(dòng)器調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)逐漸加速。經(jīng)延時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，軟啟動(dòng)完成，旁路回路接觸器KM動(dòng)作,接通旁路回路，將軟啟動(dòng)器短接，讓電源直接經(jīng)KM觸點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)正常工作，軟啟動(dòng)結(jié)束。啟動(dòng)完成后，讓電源經(jīng)由旁路，這樣延長(zhǎng)了軟啟動(dòng)器的壽命，同時(shí)也使電網(wǎng)避免了諧波污染。

3.3軟啟動(dòng)分析

電機(jī)軟啟動(dòng)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕軟啟動(dòng)器接通，繼電器KA1吸合自鎖，停止指示燈滅，開(kāi)始軟啟動(dòng)工作。經(jīng)延時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速接近（或者達(dá)到）額定轉(zhuǎn)速后，軟啟動(dòng)結(jié)束。PLC接受信號(hào)控制旁路接觸器的控制觸點(diǎn)動(dòng)作，KM閉合，接通旁路，使軟啟動(dòng)內(nèi)部的主電路短接，讓電源直接經(jīng)KM主觸點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)正常工作。

3.4軟停車(chē)分析

電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，旁路接觸器的控制觸點(diǎn)動(dòng)作，KM斷開(kāi)，此時(shí)接通軟啟動(dòng)器，電機(jī)緩慢減速，經(jīng)過(guò)延時(shí)Xs（軟啟動(dòng)器設(shè)置的軟停時(shí)間）KA1斷開(kāi)，KM和KA1都斷開(kāi)，則停止指示燈亮，電機(jī)停止通電。軟停車(chē)可以有效地避免水泵停止時(shí)所產(chǎn)生的“水錘效應(yīng)”。

4硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)裝置工作需要，選用合適的PLC是關(guān)鍵所在。在本設(shè)計(jì)中選擇性?xún)r(jià)比較高的日本三菱公司的FX2N系列FX2N-16MR-001可編程控制器來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)。采用交流220V電源供電，主模塊本身帶有8路開(kāi)關(guān)量輸入，用于檢測(cè)控制命令和開(kāi)關(guān)狀態(tài)；6路繼電器型開(kāi)關(guān)量輸出，用于各操作開(kāi)關(guān)的控制。

FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先進(jìn)的系列。有高速處理及可擴(kuò)展大量滿(mǎn)足單個(gè)需要的特殊功能模塊，靈活性和控制能力強(qiáng)。其具有以下功能軟停車(chē)，電機(jī)正常運(yùn)行，若電動(dòng)機(jī)存在故障，則關(guān)閉軟啟動(dòng)器，旁路斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)直接停止。無(wú)故障則開(kāi)始軟停車(chē)，旁路接觸器斷開(kāi)，電源經(jīng)軟啟動(dòng)器，電動(dòng)機(jī)逐漸減速。經(jīng)延時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，則軟停車(chē)完成，軟啟動(dòng)器主電路繼電器斷開(kāi)，軟啟動(dòng)器停止工作，軟停車(chē)啟動(dòng)結(jié)束。

在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中，往往需要實(shí)現(xiàn)一臺(tái)軟啟動(dòng)器對(duì)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，所以，用PLC實(shí)現(xiàn)“一拖多”就具備了極其實(shí)用的意義。軟起動(dòng)器可設(shè)置為軟起動(dòng)、軟停止，限流起動(dòng)和智能制動(dòng)等工作方式，軟起動(dòng)器特別適用于大容量電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止控制，它實(shí)際上是一種智能的產(chǎn)品。

5總結(jié)

本文針對(duì)基于PLC控制的三相異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)等控制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以PLC為核心的智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停車(chē)，還兼有各種具有時(shí)間共用的小設(shè)計(jì)，以及電路的保護(hù)功能。利用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，能夠是電動(dòng)機(jī)平滑啟動(dòng)，避免了電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的巨大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊以及硬停車(chē)時(shí)產(chǎn)生的“水錘效應(yīng)”。