PLC實現的電機堵轉自動保護探討

摘要：電動機在驅動對象運行過程中，由于機械故障、負荷過大、電壓突然降低等原因，會出現突然減速或停止旋轉的堵轉現象，堵轉會造成電動機溫度升高，導致其絕緣加速老化，最后燒毀電動機的事故。利用PLC實現的堵轉自動保護，能對啟動過程和正常運行過程中發生的堵轉實現快速保護，克服了常規堵轉保護反應速度慢和準確性差的缺點。

關鍵詞：可編程控制器；電動機；堵轉保護；定時器；運動監測；PLC 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）03-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.040

1 概述

為了有效避免電動機堵轉造成的故障，對經常發生堵轉的設備就要適當提高電動機功率，增加電動機的扭矩，確保電動機最大轉矩始終大于負載力矩。此外堵轉保護電路是易發生電動機堵轉設備必備的保護措施，而通常采用速度繼電器的防堵轉保護電路，由于速度繼電器自身結構和靈敏度影響，對步進、角度等精確移動的機械設備很難進行有效的堵轉保護。筆者通過對傳統堵轉保護電路的分析，提出了一個適合于三相異步電動機、步進電動機和伺服電動機堵轉保護的有效方案，并在實際應用中取得了良好的效果。

2 電動機發生堵轉的原因

電動機發生堵轉的原因很多，主要是由于使用系統或電動機本身原因造成堵轉，比如傳動機構由于機械原因或瞬時負荷太大超出電動機負載能力發生卡堵，使電動機轉軸被驅動設備卡死，電動機無法驅動造成堵轉；此外，電動機由于長時間大負荷運轉造成軸承磨損，出現電動機轉子旋轉時轉子與定子間隙偏差過大，當轉子側向力過大時，就會造成轉子與定子接觸，過大的摩擦力使電動機轉子無法旋轉，也會發生堵轉。電動機堵轉后定子繞組將流過5～10倍的額定電流，使得定子電流快速增大，電動機內部溫度急劇上升，破壞電動機絕緣，燒毀繞組。電動機堵轉時，電流變化迅速，這一過程會在很短時間內發生，且這種現象不易被提前發現，對電動機的破壞十分嚴重。

為什么在電動機發生堵轉時定子繞組會產生過大的電流？以三相異步電動機為例，當三相異步電動機轉動時，定子繞組形成的旋轉磁場拖動轉子旋轉，而轉子中感應電流所產生的磁場也在定子繞組感應出反電勢，也就是感應電動勢，起到阻止電動機定子電流增加的作用，當電動機發生堵轉，轉子不能旋轉，在定子中的感應反電勢也就沒有了，定子電流由于轉子感應反電勢為零而迅速升高，直至發生短路。對同步電動機和交、直流伺服電動機，同樣是通過電磁轉換將電能變為機械能，當上述電動機發生堵轉時，反電勢也沒有了，電動機就像接在電源中的一個電感元件，只有其自身的電阻和電感，自然電流會大大增加。為了檢驗電動機的過流性能，一般大修過的電動機都要做堵轉試驗，以校驗電動機的性能。

3 常用電動機堵轉的保護電路

電動機的堵轉保護在一定程度上可以理解為過載保護，當電動機出現堵轉時表明負載突然增大，電動機輸出力矩小于負載轉矩，導致電動機不能轉動運行，但此時電動機的電流卻很大，極容易燒壞電動機，因此設置了堵轉保護電路。

一般電動機控制電路都有過載保護功能，通常電動機采用繼電器實現的過載保護或低壓斷路器自帶的過流繼電器實現的過流保護。當電動機合閘啟動后較長時間電流不能降下來，過載保護熱繼電器將動作，主電路接觸器斷開電動機的電源，它只適合于電動機長時間過負荷運行引起的溫升過高保護。對三相異步電動機堵轉保護，通常采用速度繼電器實現的保護，它通過時間繼電器和轉速開關的轉速接點以邏輯與的串聯關系控制接觸器線圈實現跳閘。在三相異步電動機主軸上連接有速度繼電器KV，在控制電路中通過速度繼電器KV動斷接點連接定時器線圈KT，電動機啟動后，隨著電動機轉速的上升，速度繼電器KV動斷觸電打開，定時器KT線圈斷電，電動機正常運行；當發生電動機堵轉時，電動機轉速迅速下降，速度繼電器KT動斷接點復位閉合，定時器KT線圈得電延時，延時時間到，通過定時器KT延時動斷接地，使接觸器KM線圈斷電，電動機停止運行，實現堵轉保護。

由于速度繼電器KV的接點動作是通過內部擺錘的慣性控制，它要求速度繼電器在一定的速度下才能動作，接點有一定的延時，并且只適合高速旋轉的設備。因此，這種傳統堵轉保護具有一定的局限性，不適合用于低速運轉、移位和角度運行的電動機、步進電動機和伺服電動機的堵轉保護。

4 PLC實現堵轉自動保護

針對采用速度繼電器進行電動機堵轉保護存在的不足，筆者通過PLC控制解決了上述堵轉保護的問題。電動機是PLC的主要控制對象，通過外部光電傳感器的檢測信號和PLC內部定時器、計數器等器件，編制堵轉保護控制程序，可以實現對低速運轉、移位和角度運行的電動機進行堵轉保護。

PLC實現堵轉保護電路的主要設備有西門子S7-200（型號CPU222AC/DC/繼電器）PLC用于實現堵轉保護控制，在電動機的軸端連接角度盤，并在0度開孔，使光電開關SQ在此處工作狀態發生變化，用于檢測電動機運行時的旋轉情況。當電動機發生堵轉時，光電開關SQ會停留在ON/OFF工作狀態，PLC根據檢查到的信號，通過程序判斷，確認電動機發生堵轉后發出控制命令，使電動機停止并發出報警指示。

PLC實現電動機堵轉保護的PLC梯形圖控制程序，PLC控制程序的工作過程如下：按下啟動按鈕SB2→輸入繼電器I0.0得電→動合觸點I0.0閉合→輸出繼電器Q0.0線圈得電→接觸器KM1吸合，電動機啟動并運行，輸出繼電器Q0.0的動合觸點Q0.0[1]自鎖，使輸出繼電器Q0.0線圈保持有電狀態。輸出繼電器Q0.0的動合觸點Q0.0[2]閉合→堵轉保護電路得電開始工作→電動機運行后，角度盤隨著電動機旋轉，光電開關由于角度盤0度孔的不斷變化，使光電開關動合觸點I0.3、動斷觸點I0.3交替閉合→定時器T110、定時器T111線圈延時時間不足→定時器T110、定時器T111的接點不能閉合→輔助繼電器線圈M0.0不得電→輔助繼電器M0.0的動斷接點始終閉合，輸出繼電器Q0.0線圈保持得電狀態→接觸器KM吸合狀態，電動機正常工作。

當發生堵轉時，電機不能轉動，角度盤停留在某一個狀態，光電開關SQ會照射在角度盤的某一個位置，使光電開關SQ接點保持在一種狀態（閉合或斷開）。假定光電開關SQ照射在角度盤的非0度孔外，光電開關SQ閉合→動合觸點I0.3閉合→定時器T111線圈得電開始延時，定時器T111線圈延時時間到→定時器T111動合觸點閉合→輔助繼電器M0.0線圈得電→輔助繼電器M0.0動斷觸點斷開→輸出繼電器Q0.0線圈失電→接觸器KM1釋放，電動機停止工作，實現堵轉保護；與此同時，輔助繼電器M0.0動合觸點閉合→輸出繼電器Q0.1線圈得電→報警信號燈HL亮，發出堵轉報警信號。

對低速運轉、移位和角度運行的電動機，可根據運動設備的實際運行情況，調整堵轉保護的動作時間，以達到預期的堵轉保護效果。調整堵轉保護動作時間的方法是，通過定時器T110、定時器T111延時時間進行調整，調整的方式可采用程序預置時間，即在每次向S7-200下載程序時，將堵轉保護時間設置好，在設備運行后就不能改變，只能通過再次下載程序進行調整；另一種調整方式是通過S7-200外置的模擬量調整旋鈕，進行現場給定，在設備停止時，調整模擬量給定旋鈕，改變堵轉保護時間，當設備運行后就按照給定的保護時間進行堵轉保護。PLC實現的電機堵轉保護控制方案具有很好的適用性，在保證電動機正常運行的情況下，可以有效避免由于堵轉造成的電動機損壞。

對移位和角度運行精度要求高、位移變化小的設備，為提高堵轉保護的準確性，更好保護步進電動機和伺服電動機在位移和角度運行中出現的堵轉故障，可用旋轉編碼器代替光電開關SQ。根據編碼器輸入的脈沖信號頻率和數量，通過高速計數器指令進行比較和判斷，確定電動機是否發生堵轉故障，并最終確定電動機是否需要停止運行。筆者通過S7-200的高速計數器指令HSC0（工作模式2，內部方向控制單向計數器）和旋轉編碼器，對步進電動機單向運行的堵轉保護進行了實驗，當步進電動機發送堵轉時，PLC能夠迅速停止發出脈沖信號，使步進電動機停止工作，實現堵轉保護。

5 結語

對進行角度和位置精確移動的步進電動機、交直流伺服電動機，采樣傳統的堵轉保護方式很難實現可靠保護，當引進了PLC控制后，這一情況就大為改觀。通過對電動機運動監測，能夠實時觀測到電動機的運動狀態，并做出有效的判斷，這是以往采用電動機電流變化間接監測不具備的優勢。PLC控制系統由于其控制功能的豐富和完善，對傳統控制系統的改進有了更全面的創新和發展，PLC實現的堵轉保護在使用上更加貼近工程實例，具有很強的實用性和可操作性，PLC控制系統在電氣控制系統中發揮著越來越重要的作用。

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作者簡介：金沙（1965-），男，遼寧石化職業技術學院自動化系副教授，碩士。

（責任編輯：秦遜玉）