王華強(qiáng) 張 彪

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009)

軟啟動器采用平滑緩慢的啟動運(yùn)行方式[1]，啟動過程無沖擊轉(zhuǎn)矩，沖擊電流小，是一種集電機(jī)軟啟/停及節(jié)能等多重保護(hù)功能于一體的新型動力控制設(shè)備。筆者考慮到聚氨酯樹脂反應(yīng)釜的工藝要求，同時(shí)結(jié)合控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，決定選擇ABB軟啟動器控制釜電機(jī)的運(yùn)行。

1 軟啟動器①

筆者采用軟啟動器拖動反應(yīng)釜運(yùn)行，并對現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用Modbus-RTU協(xié)議與S7-300PLC進(jìn)行通信，最后通過上位機(jī)IPC上的組態(tài)王進(jìn)行全程顯示監(jiān)控(圖1)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

軟啟動器主電路采用三相晶閘管反并聯(lián)調(diào)壓方式。啟動時(shí)，提高晶閘管輸出電壓，控制晶閘管觸發(fā)角α，逐漸升高電機(jī)的端電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速平滑增加，當(dāng)晶閘管全導(dǎo)通時(shí)，轉(zhuǎn)速平滑上升至額定轉(zhuǎn)速；啟動結(jié)束時(shí)，軟啟動器停止工作并被切換，旁路接觸器自動吸合為電動機(jī)提供正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電壓[2]。

軟啟動器的啟動方式必須根據(jù)實(shí)際情況選擇，通用的4種啟動方式如下：

a. 斜坡升壓軟啟動(圖2a)。啟動后，電壓迅速上升至啟動電壓U0，然后在斜坡電壓作用下逐步增加，斜坡時(shí)間t1后，電壓升至電源電壓Um，啟動結(jié)束[3]。該方式最簡單，但不限流。

b. 斜坡恒流軟啟動(圖2b)。啟動時(shí)，在時(shí)間t內(nèi)，電流迅速增加，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值Im后保持不變，此時(shí)輸出電壓持續(xù)增大；當(dāng)電機(jī)持續(xù)加速至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，旁路接觸器吸合取代軟啟動器，電流恢復(fù)到額定值IN[4]。應(yīng)該方式應(yīng)用最廣泛，筆者采用的就是該方式。

c. 階躍啟動(圖2c)。啟動后，在極短的時(shí)間t內(nèi)，電流階躍式增加，迅速上升到電流限幅值Ist后保持恒定；電機(jī)逐漸加速至額定轉(zhuǎn)速，啟動結(jié)束，電流下降到額定值IN。

d. 脈沖沖擊啟動(圖2d)。在啟動階段，在較短時(shí)間內(nèi)用大電流導(dǎo)通晶閘管一段時(shí)間后，降低電流，施加脈沖電壓使轉(zhuǎn)矩突然增大，克服大負(fù)載的制動轉(zhuǎn)矩Tf；然后電機(jī)轉(zhuǎn)矩按原設(shè)定值Tst平滑上升，直到啟動結(jié)束。該方式可有效縮短啟動時(shí)間[5]。

a. 斜坡升壓軟啟動 b. 斜坡恒流軟啟動 c. 階躍啟動 d. 脈沖沖擊啟動

軟啟動器的保護(hù)功能主要有：過載保護(hù)功能，防止短路或過載故障發(fā)生；缺相保護(hù)功能，防止出現(xiàn)缺相斷流情況；過熱保護(hù)功能，防止電機(jī)或晶閘管溫度過限[6]。

2 軟啟動器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求和現(xiàn)場實(shí)際工藝需求，采用主、備兩臺型號為PST175-600-70的ABB軟啟動器拖動電機(jī)運(yùn)行，額定電流為175A，額定功率為90kW。

2.1 主控電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控電路如圖3所示，選擇兩個(gè)三相倒順閘刀2DK1、2DK2進(jìn)行主備轉(zhuǎn)換，整個(gè)電路電源通斷由斷路器2QF1控制，2QF2控制主用軟啟動器供電電路，2QF3控制備用軟啟動器供電電路。為了防止電機(jī)和線路發(fā)生過載，熱繼電器2FR作為延時(shí)限流保護(hù)裝置。

圖3 系統(tǒng)主控電路

2.2 軟啟動器拖動設(shè)計(jì)

各反應(yīng)釜的主、備軟啟動器設(shè)計(jì)選型和參數(shù)設(shè)置都一樣，此處以11#反應(yīng)釜主用軟啟動器為例進(jìn)行分析。軟啟動器拖動電機(jī)電路設(shè)計(jì)如圖4所示，具體的電氣接線方式如下：

a. 將ABB軟啟動器接在主回路中。操作軟啟動器時(shí)必須保證接地端子接地，否則不允許操作軟啟動器。

b. PST175-600-70軟啟動器本身沒有旁路接觸器，因此需加裝外置旁路接觸器。在軟啟動器運(yùn)行、繼電器2KA2的常開觸點(diǎn)閉合后，旁路交流接觸器2KM1-1得電，其常開觸點(diǎn)閉合；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過載保護(hù)時(shí)，繼電器2KA5的常閉觸點(diǎn)斷開，旁路交流接觸器失電，其常開觸點(diǎn)斷開。

c. 通過軟啟動器端子1、2對控制回路進(jìn)行供電，電壓為100～250V，頻率為50～60Hz。功能接地接在軟啟動器旁的安裝板上最合適，且電纜盡可能短，不能超過0.5m。

d. 軟啟動器啟動和停止電源由內(nèi)部自鎖電路提供。帶燈按鈕2SB1作為啟動按鈕，帶燈按鈕2SB2作為停止按鈕，并連接在端子上，且這些接線端子只能連接24V電壓。

e. 電源2L1接端子16、19；運(yùn)行繼電器2KA2一端接電源2N1，一端接端子17；故障繼電器2KA1一端接電源2N1，一端接端子20。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，2KA1的常開觸點(diǎn)閉合進(jìn)行電鈴報(bào)警，同時(shí)故障指示燈亮。

f. 2HL1為電源指示燈，2HL2為故障指示燈，2HL3為全壓指示燈。3個(gè)熔斷器(2FU1、2FU2、2FU3)的主要作用是防止所在線路短路。

g. 將軟啟動器模擬量輸出設(shè)置為4～20mA，表示電機(jī)電流的0%～100%，并將數(shù)據(jù)信息傳送到PLC，最后通過上位機(jī)IPC上的組態(tài)王顯示。

圖4 軟啟動器拖動電機(jī)電路

2.3 軟啟動器參數(shù)設(shè)置及通信

PST175-600-70軟啟動器可以通過鍵盤、總線通信和外部鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，本系統(tǒng)軟啟動的應(yīng)用類型選為攪拌機(jī)。軟啟動器的主要參數(shù)設(shè)置如下：

設(shè)定電流 175A

電機(jī)過載類別 10

旁路監(jiān)測 是

啟動模式 電流

升壓時(shí)間 20s

限流倍數(shù) 4

初始電壓 35%～40%

電機(jī)過載保護(hù) 雙重

三項(xiàng)失衡保護(hù) 是

大電流報(bào)警值 1.2×ie(額定電流的1.2倍)

SCR過載保護(hù) 是

模擬量輸出 是

模擬量輸出范圍 4～20mA

模擬量輸出類型 電機(jī)電流

顯示語言 漢語

本反應(yīng)釜控制系統(tǒng)采用S7-300PLC CPU314，機(jī)架上有負(fù)載電源模塊、以太網(wǎng)通信模塊、串行通信處理模塊和I/O模塊。ABB軟啟動器選用Modbus-RTU協(xié)議，通過串行通信處理模塊與PLC進(jìn)行通信，PLC通過CP343-1模塊與多臺上位機(jī)通過交換機(jī)構(gòu)成以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，上位機(jī)上的組態(tài)王實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)并顯示監(jiān)控。

3 結(jié)果分析

上位機(jī)通過通信獲得電機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)工藝界面、曲線界面(圖5a)和歸檔界面(圖5b)，從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)聚氨酯樹脂反應(yīng)釜控制系統(tǒng)的全程監(jiān)控。

通過該曲線界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)釜電機(jī)電流、釜電機(jī)轉(zhuǎn)速、反應(yīng)釜溫度和累加重量。工作人員可以根據(jù)此界面做出工藝判斷：通過顯示溫度決定是否需要采取降溫措施；通過累加重量判斷各種物料下料重量是否正確；通過電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線判斷該產(chǎn)品是否達(dá)到工藝要求，是否生產(chǎn)成功。

a. 曲線界面 b. 歸檔界面

通過歸檔界面左邊報(bào)表可以對控制系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存儲，該報(bào)表存儲數(shù)據(jù)包括時(shí)間日期、物料名稱、本次下料重量、反應(yīng)釜溫度、電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)速。同時(shí)也可以通過該界面右邊報(bào)表調(diào)入前期生產(chǎn)的歸檔報(bào)表進(jìn)行查詢[7]。工廠技術(shù)人員通過歸檔報(bào)表可以明晰整個(gè)生產(chǎn)過程操作和反應(yīng)釜運(yùn)行狀況。

4 結(jié)束語

通過對軟啟動器的原理、啟動方式和保護(hù)功能的全面分析，發(fā)現(xiàn)軟啟動器既能克服傳統(tǒng)方式的不足，又能使系統(tǒng)控制功能更加完善，動力設(shè)備控制更加有效，從而使得系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，軟啟動器的技術(shù)將更加成熟，性能更加穩(wěn)定，功能更加全面。