基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)研究

屈海龍 崔玲玲

(三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027)

基于PLC的三相異步電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)研究

屈海龍 崔玲玲

(三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110027)

介紹了以可編程序控制器(PLC)為核心的三相異步電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)系統(tǒng)的基本原理，并詳細(xì)闡述了過(guò)電壓、欠電壓、缺相、過(guò)載等保護(hù)功能的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法。

PLC；三相異步電動(dòng)機(jī)；綜合保護(hù)

0 引言

在工業(yè)企業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)試驗(yàn)及日常生活中，異步電動(dòng)機(jī)的使用非常廣泛，這是因?yàn)楫惒诫妱?dòng)機(jī)與其他類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)相比，有著構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等許多優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)系統(tǒng)主要是由熔斷器、斷路器和熱過(guò)載繼電器等組成保護(hù)電路，這種傳統(tǒng)的保護(hù)方式雖然比較簡(jiǎn)單，價(jià)格也較低，但卻存在著保護(hù)精度不高、可靠性低、接線(xiàn)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

PLC是一種新型的通用自動(dòng)控制裝置，具有可靠性高、體積小、編程簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用日益廣泛。這里使用EPEC系列2024型可編程序控制器，并輔以各種傳感器和接觸器，共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)電壓、欠電壓、缺相、過(guò)載等保護(hù)功能，其比基于傳統(tǒng)電氣保護(hù)元件的保護(hù)方式更加靈敏、可靠、簡(jiǎn)單。

1 主回路、PLC控制回路及電動(dòng)機(jī)啟停控制的實(shí)現(xiàn)

如圖1和圖2所示，主回路由QF1(塑殼斷路器)、FU1～FU3(熔斷器)、KM1(真空接觸器)、QF2(漏電斷路器)組成，PLC控制回路由PLC控制器、顯示器、穩(wěn)壓電源、FU4～FU6(熔斷器)、TV1(電壓傳感器)、TA1～TA3(電流傳感器)、SBes1(急停按鈕)、SB1(電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕)、SB2(電動(dòng)機(jī)停止按鈕)、KC1(中間繼電器)、HL1(指示燈)組成。

圖1 電動(dòng)機(jī)控制主回路

圖2 PLC控制回路

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)控制：按下SB1電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)按鈕，PLC接收到啟動(dòng)信號(hào)后，由軟件進(jìn)行邏輯控制，實(shí)現(xiàn)自鎖功能，并輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(hào)給中間繼電器KC1線(xiàn)圈，KC1常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，真空接觸器KM1線(xiàn)圈得電，主觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)得電啟動(dòng)。

電動(dòng)機(jī)停止控制：按下SB2電動(dòng)機(jī)停止按鈕，PLC接收到停止信號(hào)后，由軟件進(jìn)行邏輯控制，解除自鎖，并斷開(kāi)給中間繼電器KC1的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，KC1線(xiàn)圈失電，常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)，真空接觸器KM1線(xiàn)圈失電，主觸點(diǎn)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)斷電停止。

電動(dòng)機(jī)啟停邏輯控制軟件使用梯形圖編寫(xiě)，如圖3所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)啟停邏輯控制

2 過(guò)電壓和欠電壓保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

使用電壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主回路電壓，并將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20 mA的模擬信號(hào)傳輸給PLC控制器，由控制器進(jìn)行解析，并判斷是否存在過(guò)電壓和欠電壓現(xiàn)象，如果存在上述問(wèn)題，則將電動(dòng)機(jī)故障信號(hào)置為T(mén)RUE，切斷電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)輸出信號(hào)使電動(dòng)機(jī)停止工作，同時(shí)將故障信息通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送給顯示器顯示出來(lái)，提示操作人員。電壓傳感器信號(hào)的解析使用公式：

式中，U為經(jīng)過(guò)解析的電壓返回值(V)；UTVD為電壓傳感器信號(hào)的數(shù)字量換算值；UTVL為電壓傳感器的量程(V)。

數(shù)據(jù)計(jì)算和處理軟件如圖4所示。

圖4 電壓信號(hào)解析

過(guò)電壓和欠電壓的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為額定電壓的115%和75%，故障判斷軟件如圖5所示。

圖5 故障判斷

3 缺相保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

利用電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)三相電流值，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)某一相的電流值低于額定電流值的10%時(shí)，即可判斷該相缺相。

由于電流傳感器使用的是和電壓傳感器一樣的4～20 mA的模擬信號(hào)，所以對(duì)于電流傳感器信號(hào)的處理可以調(diào)用電壓信號(hào)解析程序，其缺相判斷軟件如圖6所示。

圖6 缺相判斷

4 過(guò)載保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)

電動(dòng)機(jī)過(guò)載保護(hù)時(shí)間的確定依據(jù)反時(shí)限保護(hù)曲線(xiàn)：

式中，t為保護(hù)時(shí)間(s)；k為保護(hù)曲線(xiàn)系數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際需要任意取值；KI為電流過(guò)載倍數(shù)。

當(dāng)保護(hù)曲線(xiàn)系數(shù)k=10時(shí)，曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 系數(shù)k=10時(shí)的反時(shí)限保護(hù)曲線(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)如圖8所示，當(dāng)實(shí)際電流達(dá)到額定電流的5倍以上時(shí)被認(rèn)為是嚴(yán)重的過(guò)流現(xiàn)象，需要馬上停機(jī)，所以在程序中，將大于5倍額定電流的保護(hù)時(shí)間定義成0，達(dá)到瞬斷保護(hù)的目的。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)啟動(dòng)的瞬間電流是額定電流的5～7倍，所以在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要增加一個(gè)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，來(lái)躲避啟動(dòng)電流峰值，避免誤動(dòng)作，由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，這里就不再闡述。

圖8 過(guò)載保護(hù)軟件設(shè)計(jì)

5 結(jié)語(yǔ)

本文給出了實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、停止控制和過(guò)載、缺相保護(hù)功能的PLC輸入/輸出接線(xiàn)圖和相關(guān)控制程序。當(dāng)然，實(shí)現(xiàn)這些功能的控制程序并不是唯一的，只要能滿(mǎn)足控制和保護(hù)的要求，還可以有其他多種不同的邏輯控制方案。目前，PLC已經(jīng)被大量使用在工程機(jī)械等領(lǐng)域，并成為電氣工程師設(shè)計(jì)電氣控制和保護(hù)方案時(shí)的首選元件。相信隨著相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，PLC必定會(huì)從多個(gè)方面逐漸融入我們的日常生活。

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2014-06-09

屈海龍(1983—)，男，遼寧撫順人，助理工程師，從事掘進(jìn)機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。