孟彥京 張 焱

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,陜西西安,710021)

1 軟啟動(dòng)器簡(jiǎn)介以及常見工作模式

軟啟動(dòng)器是基于現(xiàn)代控制理論、采用電力電子器件以及微處理器控制的一種新型節(jié)能裝置,它的主回路通常由三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成一個(gè)三相調(diào)壓電路。控制回路通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角改變軟啟動(dòng)器輸出端的電壓。

按照用戶的控制要求,軟啟動(dòng)器調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角,使加在電機(jī)定子側(cè)的電壓按預(yù)設(shè)要求變化,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)功能。這樣就可在不影響電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)有效降低電機(jī)的啟動(dòng)電流,降低對(duì)電機(jī)自身的沖擊以及對(duì)電網(wǎng)中其他設(shè)備影響[1]。

與傳統(tǒng)的電機(jī)啟動(dòng)方式如電機(jī)定子繞組串電阻(電抗)啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子繞組串電阻啟動(dòng)、星-三角變換啟動(dòng)以及自耦變壓器調(diào)壓?jiǎn)?dòng)等相比,采用晶閘管調(diào)壓原理制造的軟啟動(dòng)器具有以下顯著特點(diǎn)：①體積小,能效高,節(jié)省使用空間；②能夠有效降低電機(jī)的啟動(dòng)電流,同時(shí)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的影響不是很大；③可根據(jù)不同的負(fù)載調(diào)節(jié)啟動(dòng)模式,具備多重保護(hù)功能,能夠更好地適應(yīng)工藝要求和設(shè)備保護(hù)，同時(shí)具備通信接口,可以實(shí)現(xiàn)總線控制；④具有自保護(hù)與故障提示功能,便于用戶使用與維護(hù),提高生產(chǎn)效率。

正是基于以上優(yōu)點(diǎn),軟啟動(dòng)器在以下場(chǎng)合獲得了廣泛應(yīng)用：①水泵，通過在水泵中利用軟啟動(dòng)器,結(jié)合泵控制功能,在啟動(dòng)和停止時(shí),減少液流沖擊所產(chǎn)生的泵流水錘效應(yīng),節(jié)省了系統(tǒng)的維修費(fèi)用,給用戶帶來了好處；②風(fēng)機(jī)，采用固態(tài)軟啟動(dòng)器,以取代傳統(tǒng)的液力軟啟動(dòng)器,減少皮帶磨損和機(jī)械沖擊；③破碎機(jī)，利用軟啟動(dòng)器進(jìn)行啟動(dòng)保護(hù),防止電機(jī)過熱而燒毀。

軟啟動(dòng)器有軟啟動(dòng)、限流啟動(dòng)、突跳啟動(dòng)、軟停車四種常見工作模式。

(1)軟啟動(dòng)模式。該模式是最常見的一種啟動(dòng)模式。通過設(shè)置DIP開關(guān),可以將初始轉(zhuǎn)矩值設(shè)為轉(zhuǎn)矩的15%～65%,啟動(dòng)時(shí)間則可以設(shè)為2～15 s[2]。

(2)限流啟動(dòng)模式。當(dāng)所帶電機(jī)的最大啟動(dòng)電流需要得到限制時(shí)就要采用此模式。同樣,通過設(shè)置DIP開關(guān),可將啟動(dòng)電流設(shè)為額定值的150%～450%,啟動(dòng)時(shí)間則可以設(shè)為2～15 s。當(dāng)電機(jī)在過了設(shè)定時(shí)間之后仍未達(dá)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速,軟啟動(dòng)器就會(huì)將全壓加在電機(jī)上。

(3)突跳啟動(dòng)模式。該模式適用于在啟動(dòng)時(shí)需要一個(gè)大轉(zhuǎn)矩脈沖。這種模式下,啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)額外的推進(jìn)轉(zhuǎn)矩，軟啟動(dòng)器給出一個(gè)脈沖電流。該脈沖可以是額定電流的400%。同樣,用戶可以調(diào)整的時(shí)間范圍是0.3～1.5 s。

(4)軟停車模式。需要進(jìn)行滑行停車的場(chǎng)合宜用此功能,應(yīng)用此功能可將停車時(shí)間設(shè)為啟動(dòng)時(shí)間的1倍、2倍或3倍等，用戶能夠分別調(diào)節(jié)啟、停時(shí)間。當(dāng)軟啟動(dòng)器的輸出電壓降到所產(chǎn)生的電機(jī)轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)即停車。在本項(xiàng)目中,軟啟動(dòng)器即設(shè)置為這種工作模式。

啟動(dòng)曲線如圖1所示。

圖1 軟停車模式轉(zhuǎn)矩曲線

本項(xiàng)目在廣東潮州某造紙廠制漿車間的“一拖二”電機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)中應(yīng)用了美國(guó)羅克韋爾SMC-3軟啟動(dòng)器,其控制端子共有8個(gè),功能描述如表1所示。

表1 SMC-3軟啟動(dòng)器控制端子功能描述

端子13、14就是接入到PLC中的一個(gè)電機(jī)運(yùn)行達(dá)速信號(hào),即電機(jī)開始啟動(dòng)時(shí)由軟啟動(dòng)器拖動(dòng)進(jìn)行軟啟過程,當(dāng)軟啟動(dòng)進(jìn)行一段時(shí)間后電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升達(dá)到某一速度值。此時(shí)認(rèn)為電機(jī)軟啟動(dòng)過程結(jié)束,由旁路接觸器將軟啟動(dòng)器切除,進(jìn)入正常全壓運(yùn)行。

2 “一拖二”軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)配置情況

所謂“一拖多”軟啟動(dòng)方式,即只用一臺(tái)軟啟動(dòng)器依次拖動(dòng)多臺(tái)負(fù)載,如此一來,軟啟動(dòng)器的利用效率將大為提高。

在本項(xiàng)目的制漿生產(chǎn)線中,由于篩選工段用的一段粗篩、一段精篩電機(jī)以及二段精篩、二段除渣泵電機(jī)功率都很大,啟動(dòng)電流很大,需要進(jìn)行軟啟動(dòng)。因此共設(shè)計(jì)兩個(gè)“一拖二”型軟啟動(dòng)柜。本文以控制一段粗篩和一段精篩電機(jī)的軟啟動(dòng)柜為例進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明,詳細(xì)設(shè)備配置如表2所示。

表2 “一拖二”軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)配置

該系統(tǒng)中控制器使用西門子的微型PLC系列西門子LOGO,LOGO可以用來做小型開關(guān)量的輸入、輸出控制,當(dāng)然,若是配置擴(kuò)展模塊,也可以進(jìn)行少量的模擬量控制。包含了基本的邏輯運(yùn)算功能塊和觸發(fā)器等其他特殊功能塊,具有成本低、編程較為簡(jiǎn)單、易于被用戶接受的特點(diǎn)。與西門子普通PLC相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)：LOGO的輸出端電流可達(dá)10 A,遠(yuǎn)大于PLC輸出端2A的電流[3]；編程界面與普通PLC類似；LOGO系列中有自帶的面板,可以直接在上面設(shè)置參數(shù),方便快捷。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在該項(xiàng)目中,選用230RCo型LOGO控制器。有8個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)(可通過模塊擴(kuò)展端子數(shù)目),4個(gè)繼電器輸出點(diǎn)(通過接入擴(kuò)展模塊,可以有更多的輸出端子),直接采用220 V交流電源供電。根據(jù)“一拖二”軟啟動(dòng)的控制要求,軟啟動(dòng)柜硬件部分主回路接線圖如圖2所示。

控制回路接線圖分別如圖3和圖4所示。

在軟啟動(dòng)柜主回路原理圖中,軟啟動(dòng)器(SS)電壓輸入端通過熔斷器接于柜體母排上,輸出端通過分別控制兩臺(tái)電機(jī)軟啟動(dòng)繼電器KM1、KM2的觸點(diǎn)與熔斷器FR1、FR2和電機(jī)M1、M2相連,而且每個(gè)電機(jī)母線上都接有電流互感器PA1、PA2,用來監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)電流的大小。由電源母排經(jīng)過一個(gè)隔離變壓器接入軟啟動(dòng)器的A1、A2端,對(duì)軟啟動(dòng)器供電。接入LOGO的軟啟動(dòng)達(dá)速信號(hào)繼電器KA0的觸點(diǎn)接在控制端子的IN1、IN2端。軟啟動(dòng)器的達(dá)速信號(hào)輸出端子13、14接入LOGO輸入端的I1點(diǎn)。

圖2 “一拖二”軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)主回路原理圖

圖3 “一拖二”軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)控制回路原理圖(LOGO輸入端子接線圖)

圖4 “一拖二”軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)控制回路原理圖(LOGO輸出端子接線圖)

LOGO的其他輸入端子配置如下：① I2端通過繼電器KM11接1號(hào)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)反饋信號(hào)；② I3端通過繼電器KM21接2號(hào)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)反饋信號(hào)；③ I4、I5分別通過軟啟動(dòng)柜柜面的啟、停按鈕控制1號(hào)電機(jī)的啟、停，同時(shí),在該輸入端子也加入了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)上的啟、停控制,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制；④ I6、I7分別通過軟啟動(dòng)柜柜面的啟、停按鈕控制2號(hào)電機(jī)的啟、停；同時(shí),在該輸入端子也加入了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作臺(tái)上的啟、?？刂?實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的控制；⑤ I8端子所接的是1號(hào)、2號(hào)電機(jī)軟啟動(dòng)的信號(hào)；⑥ I9端子所接的是1號(hào)、2號(hào)電機(jī)軟啟動(dòng)、直接啟動(dòng)的切換旋鈕。

LOGO輸出端子的配置情況如下：①LOGO的Q1、Q2端子分別接入車間的DCS系統(tǒng),成為DCS的使能信號(hào)；②Q3端子作為軟啟動(dòng)的啟、停信號(hào)輸出端子，與中間繼電器KA0的線圈相接,KA0的觸點(diǎn)則接在軟啟動(dòng)器啟、?？刂贫俗覫N1、IN2上；③Q4端子作為1號(hào)電機(jī)軟啟動(dòng)的信號(hào)輸出端子，與中間繼電器KA1的線圈相接,KA1的觸點(diǎn)則接入控制1號(hào)電機(jī)軟啟動(dòng)的繼電器KM1的線圈，KA1線圈得電觸點(diǎn)閉合后KM1的線圈就會(huì)帶電；同時(shí)相應(yīng)的狀態(tài)顯示回路中的繼電器也會(huì)得電；④Q5端子作為1號(hào)電機(jī)運(yùn)行的信號(hào)輸出端子，與中間繼電器KA11的線圈相接,KA11的觸點(diǎn)則接入控制1號(hào)電機(jī)全壓運(yùn)行的繼電器KM11的線圈；⑤Q6、Q7端子則是對(duì)2號(hào)電機(jī)的軟啟動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)的配置,與1號(hào)電機(jī)的配置情況類似,在此不贅述。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是結(jié)合生產(chǎn)工藝流程對(duì)LOGO進(jìn)行編程,以滿足生產(chǎn)需求。程序設(shè)計(jì)思想流程圖如圖5所示。LOGO的編程界面如圖6所示。具體程序段如圖7所示。

圖6 LOGO編程界面

圖7 “一拖二”軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)程序

圖8 軟啟動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

圖5 控制系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)調(diào)試主要從軟啟動(dòng)器參數(shù)設(shè)置以及啟動(dòng)模式選擇依據(jù)兩個(gè)方面進(jìn)行論述。

3.1 SMC-3軟啟動(dòng)器參數(shù)設(shè)置

軟啟動(dòng)柜內(nèi)部的各部分程序已經(jīng)下載入LOGO PLC中后,就需要對(duì)SMC150-C軟啟動(dòng)器進(jìn)行配置。

根據(jù)本節(jié)前面所述內(nèi)容,下面討論SMC150-C軟啟動(dòng)器的具體調(diào)試步驟。

(1)將軟啟動(dòng)器接為三線接法。

(2)打開軟啟動(dòng)器正面右上角的撥碼開關(guān)蓋,就可以見到上下兩組,一共16個(gè)小的撥碼開關(guān),每組上面位置為“ON”,下面位置為“OFF”。如圖8所示。

每組撥碼開關(guān)所代表的含義如表3所示。

(3)以上為軟啟動(dòng)器的基本參數(shù)設(shè)置,具體的設(shè)置則需根據(jù)負(fù)載情況判斷。如若將軟啟動(dòng)器的主回路接為內(nèi)三角六線接法,則電機(jī)的滿載電流需在軟啟動(dòng)器上設(shè)為電機(jī)銘牌額定電流值的1.73倍。

(4)SMC-150C軟啟動(dòng)器還具有智能化的故障提示功能。通過這一功能,使用者可方便地根據(jù)“RUN/FAULT”指示燈的閃爍情況不同從而判別出不同故障。詳細(xì)故障說明見表4。

3.2 軟啟動(dòng)器啟動(dòng)模式選擇依據(jù)

根據(jù)軟啟動(dòng)器所接負(fù)載對(duì)象的不同,以及生產(chǎn)工藝的不同要求,其啟動(dòng)模式以及初始轉(zhuǎn)矩/限流設(shè)置的依據(jù)如表5所示。

只有針對(duì)不同的負(fù)載,設(shè)置合理的啟動(dòng)方式才能更好地發(fā)揮軟啟動(dòng)器的作用,滿足控制要求。

4 需要注意的一些問題

在對(duì)軟啟動(dòng)器進(jìn)行參數(shù)配置的時(shí)候,需要注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容。

(1)所有參數(shù)的修改均需在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行,電機(jī)運(yùn)行當(dāng)中無法進(jìn)行參數(shù)修改[4]。

(2)若SMC150-C軟啟動(dòng)器為B系列,則軟啟動(dòng)器主回路有三線接法和內(nèi)三角六線接法兩種(其中A系列只有三線接法)。如果接成三線接法,則應(yīng)將軟啟動(dòng)器撥碼開關(guān)的15號(hào)開關(guān)撥至“ON”位置,此時(shí),軟啟動(dòng)器方能啟動(dòng)。

(3)注意連接好軟啟動(dòng)器頂部的散熱風(fēng)扇電源。

表3 撥碼開關(guān)含義

表4 SMC-150軟啟動(dòng)器故障指示

表5 軟啟動(dòng)器啟動(dòng)模式及初始轉(zhuǎn)矩/限流設(shè)置依據(jù)

當(dāng)軟啟動(dòng)器電流在85A以上時(shí)風(fēng)扇電壓就有兩個(gè)等級(jí)可供選擇,分別是110 V和220 V。

5 結(jié) 語

廣東潮州某造紙廠制漿車間的一段粗篩、精篩工段采用了基于LOGO的SMC-3軟啟動(dòng)控制系統(tǒng),現(xiàn)已生產(chǎn)運(yùn)行近一年時(shí)間,效果很好,用戶比較滿意。SMC-3軟啟動(dòng)器智能化程度高、運(yùn)行可靠、工作效率高。通過對(duì)車間電網(wǎng)電壓監(jiān)測(cè),大容量電機(jī)的軟啟動(dòng)電流在合理范圍內(nèi),沒有對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。電機(jī)的使用壽命也大為延長(zhǎng),運(yùn)行成本降低；同時(shí),由于采用了LOGO控制,系統(tǒng)硬件接線大大減少,減少了施工量,使系統(tǒng)擴(kuò)容更為容易,如用戶需要增加軟停車等功能,不需要增加硬件和接線,僅僅需要對(duì)LOGO的控制程序做出相應(yīng)修改即可,進(jìn)一步降低了運(yùn)行成本,獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

“一拖多”軟啟動(dòng)的控制拓?fù)淇梢愿鶕?jù)生產(chǎn)需要,在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的軟啟動(dòng),從而大大提高了設(shè)備利用率,在生產(chǎn)實(shí)際中具有良好的應(yīng)用前景。

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