商杰

（淄博市技師學(xué)院，山東 淄博 255000）

三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用廣泛，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便、性能穩(wěn)定。三相異步電動(dòng)機(jī)常見的啟動(dòng)方式有全壓?jiǎn)?dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)兩種。由于全壓?jiǎn)?dòng)的電路系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)快捷、維護(hù)方便，但全壓?jiǎn)?dòng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的功率有一定的限制，適用于小功率電動(dòng)機(jī)。大功率電動(dòng)機(jī)采用全壓?jiǎn)?dòng)會(huì)產(chǎn)生過大的電流，引起電網(wǎng)電壓顯著下降，影響電網(wǎng)內(nèi)其它負(fù)載電氣設(shè)備的正常使用。另外，電動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)產(chǎn)生的過大的電流會(huì)造成電機(jī)線圈溫度聚生，影響線圈的絕緣效果，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命。設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，需要高于工作載荷的扭矩，為了減小設(shè)備的起動(dòng)電流，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)拇胧┛刂齐妱?dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的電流。降壓?jiǎn)?dòng)是通過專門的啟動(dòng)設(shè)備或線路，降低啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組兩端的電壓來降低啟動(dòng)電流。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)電壓恢復(fù)正常。由電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的關(guān)系可知，降壓?jiǎn)?dòng)會(huì)影響電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，比較適合設(shè)備空載啟動(dòng)或輕載啟動(dòng)。“星——三角形”降壓?jiǎn)?dòng)是應(yīng)用最廣泛的降壓?jiǎn)?dòng)方法，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)“星——三角形”控制系統(tǒng)是基于繼電器——接觸器控制，這種控制系統(tǒng)采用大量的低壓電器，線路復(fù)雜、連線繁瑣、可靠性差。本文提出采用編程控制器PLC和觸摸屏控制方案，不僅能解決線路復(fù)雜和頻繁啟動(dòng)的問題，而且抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單易學(xué)、操作直觀、自動(dòng)化程度高。

1 電動(dòng)機(jī)星——三角啟動(dòng)

1.1 星——三角啟動(dòng)的原理

在三向異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)將電機(jī)定子繞組接成星形接線，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)成功后將電機(jī)定子繞組改接成三角形接線，根據(jù)電機(jī)啟動(dòng)電流與電源電壓的關(guān)系，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)提供的電流只有全電壓?jiǎn)?dòng)電流的1/3，因此，采用星——三角啟動(dòng)可降低啟動(dòng)電流，減輕電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。傳統(tǒng)的星——三角啟動(dòng)的電氣控制線路中，定子繞組的界限形式通過主電路的3個(gè)接觸器KM1、KMY、KM△及繼電器來實(shí)現(xiàn)：當(dāng)KM1和KMY吸合時(shí)，定子繞組成星形接線；當(dāng)KMY斷開，KM1和KM△吸合時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子繞組接成三角形接線，從而實(shí)現(xiàn)了星——三角啟動(dòng)控制。星——三角啟動(dòng)屬降壓?jiǎn)?dòng)方式，它是以犧牲一部分功率來降低啟動(dòng)電流，一般在啟動(dòng)時(shí)電機(jī)負(fù)載輕、運(yùn)行時(shí)電機(jī)負(fù)載重的情況下可采用星——三角啟動(dòng)。

1.2 基于繼電器——接觸器控制的星——三角啟動(dòng)存在的問題

繼電器——接觸器控制系統(tǒng)，是通過時(shí)間繼電器來控制KM1、KMY及KM△這3個(gè)接觸器的吸合和斷開，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子繞組的不同接線形式。接觸器和時(shí)間繼電器屬于低壓電器，雖然成本較低，但由于低壓電器固有的缺點(diǎn)，控制系統(tǒng)的可靠性很差，故障發(fā)生頻率較高，查找和排除困難，當(dāng)后期產(chǎn)品需要更新及生產(chǎn)工藝變化時(shí)，控制系統(tǒng)的變動(dòng)工量會(huì)較大，費(fèi)用比較高。

2 利用PLC和觸摸屏控制三相異步電動(dòng)機(jī)星—三角啟動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程

利用PLC控制的星——三角啟動(dòng)控制系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定，比傳統(tǒng)的基于繼電器——接觸器控制的星——三角啟動(dòng)有更大的優(yōu)勢(shì)。

（1）控制系統(tǒng)可靠性高，發(fā)生的故障率低。

（2）控制系統(tǒng)可采用梯形圖編程，編程方便，簡(jiǎn)單易學(xué)。

（3）適應(yīng)性強(qiáng)：采用PLC的控制系統(tǒng)適合大溫差及濕度變化范圍較大的工作環(huán)境；抗振動(dòng)、抗沖擊，抗干擾。

2.1 系統(tǒng)功能

（1）定子繞組星形——三角形接線切換功能：電源接通后，控制電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形接線，實(shí)現(xiàn)降壓功能。經(jīng)過設(shè)定延時(shí)，控制電動(dòng)機(jī)定子繞組接成三角形接線，電動(dòng)機(jī)全壓工作。

（2）聯(lián)鎖和延時(shí)保護(hù)功能。在星——三角降壓起動(dòng)的過程中，最重要的一環(huán)是要保證電機(jī)定子繞組從星形接線聯(lián)結(jié)到三角形聯(lián)結(jié)的順利切換。如果由于接觸器或其他電器元件發(fā)生故障，導(dǎo)致星形接線聯(lián)結(jié)和三角形聯(lián)結(jié)同時(shí)通電，電源會(huì)發(fā)生短路，損壞電動(dòng)機(jī)或電網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備。在PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，一定要對(duì)此進(jìn)行充分考慮。通?？刹捎锰菪螆D中設(shè)計(jì)的互鎖功能；在硬件接線中增加“硬件互鎖”或通過程序命令對(duì)星形聯(lián)結(jié)斷電進(jìn)行延時(shí)控制，達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，再接通三角形聯(lián)結(jié)?？梢杂行У乇苊怆妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接線切換的過程中主電路發(fā)生短路故障。

（3）附加功能：診斷功能、報(bào)警功能、開機(jī)復(fù)位功能。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及I/O 分配表

根據(jù)星——三角啟動(dòng)控制原理，確定系統(tǒng)的輸入輸出裝置，設(shè)定對(duì)應(yīng)的輸入及輸出觸點(diǎn)，并制定I/O分配表，見表1所示。本系統(tǒng)“停止按鈕”、“啟動(dòng)按鈕”及“星型啟動(dòng)確認(rèn)按鈕”均采用觸摸按鈕，故輸入端不再列出。

表1 電動(dòng)機(jī)星—三角啟動(dòng)的I/O 分配表

根據(jù)I/O 分配表1畫出控制系統(tǒng)的接線圖，在安裝板上完成主電路和控制電路的接線工作。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

可編程控制器PLC的編程語言包括：順序功能圖語言、梯形圖語言、功能模塊語言、指令表語言及結(jié)構(gòu)化文本語言。梯形圖編程語言是目前最常用的編程語言，參考電氣操作原理圖編制，與繼電器線路類似，語言具有直觀性和對(duì)應(yīng)性，容易掌握，梯形圖編程語言與原有的繼電器控制最大的不同主要體現(xiàn)在，梯形圖假想的“能流”和內(nèi)部“軟繼電器”兩個(gè)方面。梯形圖左、右垂直公共線（母線）相當(dāng)于系統(tǒng)電源的正負(fù)極，輸入觸點(diǎn)充當(dāng)按鈕。輸出線圈可以認(rèn)為是負(fù)載，能流從左母線經(jīng)過觸點(diǎn)與線圈向右母線流動(dòng)，完成梯形圖的一個(gè)階級(jí)動(dòng)作，多個(gè)階級(jí)組成整個(gè)梯形圖。本次的設(shè)計(jì)基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)星——三角降壓?jiǎn)?dòng)控制系統(tǒng)，增加了三個(gè)重要的功能，保障系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。明確系統(tǒng)的各項(xiàng)控制要求，畫出梯形圖。

（1）KMY異常診斷功能。星型控制接觸器KMY因異常未動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)后，延時(shí)10s后將全壓?jiǎn)?dòng)。星——三角降壓?jiǎn)?dòng)控制系統(tǒng)失去啟動(dòng)電流控制功能。為了防止這一故障發(fā)生，在控制系統(tǒng)增加1個(gè)星型控制接觸器 KMY確認(rèn)信號(hào)。此信號(hào)取自星型控制接觸器 KMY的常開點(diǎn)觸點(diǎn)X2。

（2）報(bào)警功能。電機(jī)定子繞組星型接線后，電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)低壓?jiǎn)?dòng)，在啟動(dòng)后20s內(nèi)無法將定子繞組切換到三角形接法時(shí)，電機(jī)將不能進(jìn)行全壓運(yùn)行，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

（3）開機(jī)復(fù)位功能。如果系統(tǒng)沒有開機(jī)復(fù)位功能，電網(wǎng)斷電后重新上電，控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，因此，本控制系統(tǒng)利用特殊繼電器可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位功能。

2.4 觸摸屏畫面設(shè)計(jì)與下載

本系統(tǒng)將觸摸屏結(jié)合PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制，使控制更加形象、直觀，操作更方便，節(jié)省操縱臺(tái)上的開關(guān)數(shù)量及安裝板上的外部接線，提高控制系統(tǒng)的可靠性和靈活性，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制和信息顯示。根據(jù)三項(xiàng)異步電動(dòng)機(jī)星——三角啟動(dòng)控制要求及I/O分配表，將電機(jī)的停止按鈕和啟動(dòng)按鈕均采用觸摸鍵。利用三菱觸摸屏編程軟件GT-Designet3進(jìn)行畫面的編輯。分別設(shè)計(jì)“停止”及“啟動(dòng)”兩個(gè)觸摸按鈕。完成畫面編輯工作后，點(diǎn)擊GT-Designet3軟件的打開菜單欄中的“通信”，選擇“跟GOT 的通信”對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)編輯畫面的下載。在標(biāo)簽卡中，點(diǎn)擊“工程下載→GOT”。點(diǎn)擊“基本畫面”，找到需要下載的畫面，并在名稱前打勾，然后點(diǎn)擊“下載”，就可以進(jìn)行編輯畫面的下載，在畫面的下載過程中，不能移動(dòng)GOT 通信并禁止關(guān)閉觸屏電源。

2.5 系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試

完成T形圖編寫及觸摸屏畫面編制的各項(xiàng)工作后，將進(jìn)行程序調(diào)試，按觸摸屏上的啟動(dòng)按鈕，星形控制接觸器KMY接通，內(nèi)部定時(shí)器T1、T2 計(jì)時(shí)開始，程序設(shè)定T2計(jì)時(shí)到后，輸出點(diǎn)Y1動(dòng)作，主接觸器KM1接通主電路，確保在通電前電動(dòng)機(jī)定子繞組接成星形；程序設(shè)定T1計(jì)時(shí)到后，為防止主電路短路，Y3不能立即動(dòng)作，系統(tǒng)設(shè)定使T3開始計(jì)時(shí)，1s后輸出點(diǎn)Y3動(dòng)作，三角形控制接觸器 KMΔ接通，電動(dòng)機(jī)定子繞組接線接成三角形，系統(tǒng)采用互鎖的方法使星形斷開，可靠的避免主電路短路。

3 結(jié)語

本文分析了電動(dòng)機(jī)星——三角起動(dòng)的必要性，并指出傳統(tǒng)的繼電器——接觸器控制的星——三角啟動(dòng)存在的問題，針對(duì)這些問題設(shè)計(jì)了基于PLC和觸摸屏控制的三相異步電動(dòng)機(jī)星——三角降壓?jiǎn)?dòng)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)安全可靠，操作直觀，接線簡(jiǎn)單，具有廣闊的市場(chǎng)前景。