基于PLC的雙速電機運行控制電路的改造

季鳴

（蘇州技師學院，江蘇蘇州，215000）

1 雙速電動機的工作原理

根據電動機的轉速公式N=(1-s)60f/p可知，其中頻率f是固定的，電動機的磁極對數p與同步轉速n成反比。因此想要改變電動機的同步轉速，則只要改變電動機的磁極對數。為了改變電動機的定子極數，其轉子極數也必須進行改變。為了避免電動機轉子變極方式，常采用籠式轉子的電動機。因為其沒有固定的轉子極數，該電動機的極數不用改接，由定子磁極數確定。定子磁極數的改變可分為兩種方法，第一種是在制造過程中安裝兩種不同的獨立繞組，從而具有不同的磁極數，從制造成本的角度來講該方法不經濟；第二種方法是采用改變繞組的連接方式來改變定子極數。定子繞組共有六個接線端，分別是 U1、V1、W1、U2、V2、W2。一種是將 U1、V1、W1三個接線端子接三相電源，而U2、V2、W2則懸空，此時其定子繞組按角型連接，這種方法的是將每個繞組中的線圈進行相互串聯；如果將電動機定子繞組中U2、V2、W2三個接線端接到三相電源上，另外將U1、V1、W1三個接線端子短接，則電動機電子繞組的角型連接變成星型連接，此時是將每個接線繞組中的線圈進行相互并聯。值得注意的是當繞組變極后改變后的相序方向與原來的相序相反，為了保持低速與高速轉向相同，應將電動機的兩個出線端對調從而確保轉向一致，如圖1所示。

圖1 變極調速定子繞組接線圖

2 雙速電動機的電氣控制電路

雙速電機運行控制電路如圖2所示，其工作原理：合上斷路器QS1引入三相電源。按下啟動按鈕SB2，交流接觸器KM1線圈回路通電并自鎖，KM1主觸頭閉合，為電動機引進三相電源，L1接 W1，L2接 V1,L3接 U1; U2、V2、W2懸空。電動機在△接法下運行，此時電動機低速運行。若想轉為高速運行，則按下SB3按鈕，KA和KT1、KT2線圈得電，其中KA線圈得電其常開觸點閉合形成自鎖；KT2線圈得電其常閉延時觸點斷開，KM1線圈失電，KM1主觸頭斷開使U1、V1、W1與三相電源L1、L2、L3脫離。從而低速停止運行；KT1線圈得電其瞬時常開觸點閉合，通電延時常開觸點到達設定時間后閉合接通KM3線圈得電并自鎖，同時接通KM2線圈。主觸頭將定子繞組三個首端U1、V1、W1連接在一起，并把三相電源L1、L2、L3引入接U2、V2、W2，此時電動機在YY接法下運行，KM2的輔助常開觸點斷開，防KM1誤動。若直接按SB3按鈕，在KT1通電延時常開觸點到達設定時間前，可以按下SB2按鈕，可以實現低速點動運行，若一直按住SB2按鈕，依舊保持低速，但KT1通電延時觸點閉合，其KM2、KM3線圈得電，其兩者常閉點斷開，則電動機在YY接法下運行，此時電動機變成高速運行。按下停止按鈕SB1或發生過載時，電動機會立刻停止。

圖2 雙速電機運行控制電路

控制電路圖中在KM2線圈前串聯KM3的常開輔助觸點實現了KM2、KM3之間的順序控制，這樣接觸器KM3在的主觸點是在無負載的條件下進行工作，可以延長接觸器KM3主觸點的使用壽命；在KT線圈前串聯KM2常閉輔助觸點，使得線圈KT在高速運行時斷電釋放，既減少該線圈的使用壽命也降低了必要的能耗，延長該電路整體的使用壽命。

圖2的控制電路具有如下保護措施：（1）具有雙重短路保護，第一重保護即為熔斷器分別實現控制電路的短路保護；第二重保護則是將KM1、KM2、KM3三個常閉觸點串聯在對應的線圈回路中，使得三個線圈不能同時通電，從而使得主電路中的主觸點不能同時閉合而造成短路。（2）具有過載保護，把熱繼電器的元器件串接在電動機的主電路中，將熱繼電器的常閉觸點接在控制電路中，倘若電動機長期過載后，熱繼電器的金屬片受熱彎曲，從而使接觸器線圈斷開，從而使電動機發生過載時起到過載保護作用。（3）具有欠壓與失壓保護，若電源電壓低于額定電壓時，接觸器的電磁吸力不夠使得接觸器的銜鐵釋放，其常開觸點斷開從而使得電動機停止運行；當線圈電壓正常時，接觸器線圈不能自動通電，必須按下SB2、SB3后才能重新啟動，從而可避免電壓正常時電動機突然運行所引起的事故。

3 PCL控制系統設計

3.1 PLC改造思路

用PLC對繼電器控制電路進行改造主要分為硬件設計和軟件設計兩部分，硬件設計主要是對原繼電器控制電路的工作原理進行分析，確定PLC控制的輸入/輸出點，繪制新的硬件接線圖，并按照硬件接線圖完成接線；軟件設計主要是利用PLC編程軟件，根據控制要求編寫控制程序，并完成程序的下載及聯合調試與驗收等。根據上述改造方法運行三菱FX3U-48MR系列PLC對雙速電機運行控制電路進行改造。

3.2 硬件設計

在采用PLC替代原來的雙速電機的繼電器控制系統時，應注意PLC改造電路必須要弄清楚系統中輸入與輸出元器件，哪些元器件要保留哪些需要添加，這樣既可以減少其硬件接線，又可實現復雜的實現電路功能。

雙速電機控制系統PLC改造采用三菱FX3U-48MR系列PLC。本PLC控制系統的輸入信號/輸出信號各有24個。其中操作按鈕開關有5個，PLC輸出控制信號有6個，本PLC控制系統采用三菱FX3U-48MR系列PLC完全滿足操作需求，且有一定余量。

PLC的硬件接線中數字量輸入電路圖如圖3中PLC左側接線圖所示，其中包括停止按鈕SB1、低速啟動按鈕SB2、高速啟動按鈕SB3、急停按鈕SB4,熱繼電器常開按鈕FR1；PLC的硬件接線中數字量輸出電路圖如圖2右側接線圖所示，其中包括低速運行繼電器Y0、高速運行繼電器Y1、Y2，低速運行指示燈Y4、高速運行指示燈Y5、急停閃爍指示燈Y6，其閃爍頻率0.5HZ，10S 后 3HZ。

圖3 PLC硬件接線圖

3.3 軟件設計

在電路安裝過程中，保留原有繼電器控制主電路部分的線路，拆除控制部分線路[2]。線路安裝按照先主后輔的順序，而且一定要套線號。線路安裝完后用電阻法檢查是否有短路性故障。對控制要求進行軟件設計，并將控制程序輸入PLC中，聯合調試與驗收其控制效果。程序設計包括連續低速運行、連續高速運行、低速轉高速、在高速未運行時可實現低速點動運行，低速、高速與急停指示燈按照要求顯示，其中急停指示燈閃爍頻率為0.5HZ，10S過后切換成3HZ。圖4是雙速電動機運行控制電路程序中急停運行指示燈的梯形圖。

圖4 急停運行指示燈的梯形圖

3.4 線路調試

軟件模擬調試：通過GX Works2軟件模擬改變按鈕的當前值，觀察輸出繼電器狀態，對程序進行模擬調試。更改X1狀態后立刻改回，Y0、Y4通電（X1狀態改回→Y0、Y4狀態不變）；更改X0狀態后立刻改回，Y0、Y4斷電；更改X1狀態后立刻改回，Y0、Y4通電，更改X2狀態后立刻改回，5s內更改更改X1狀態后立刻改回，Y0、Y4通電后立刻失電，5s后Y1、Y2、Y5通電；更改X0狀態后立刻改回，Y1、Y2、Y5斷電，更改X1狀態后立刻改回，Y0、Y4通電后立刻斷電。

更改X3狀態，Y6得電頻率為0.5Hz，5次后切換為3Hz，改回X3狀態，Y6斷電。

更改X4狀態，所有輸出繼電器無法得電。

電路調試：接好線路后，暫不接電機，對電路進行通電試驗，觀察PLC的I/0端口指示燈、低速運轉指示燈、高速運轉指示燈及急停指示燈的狀態。未操作時，I/0端口指示燈中X0、X3亮，其余均不亮。進行以下操作：首先按下SB2，I/0端口指示燈中X1亮后滅，隨后I/0端口指示燈中Y0、Y4常亮，且H1常亮，KM1接觸器吸合；按下SB1，I/0端口指示燈中X0滅，I/0端口指示燈中Y0、Y4滅，且H1滅,KM1接觸器恢復原狀；其次按下SB2，I/0端口指示燈中X1亮后滅，隨后I/0端口指示燈中Y0、Y4常亮，且H1常亮，KM1接觸器吸合；按下SB3，I/0端口指示燈中X2亮后滅，I/0端口指示燈中Y0、Y4滅,KM1接觸器恢復原狀且H1滅，5s后I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5常亮，且H2常亮，KM2、KM3接觸器吸合；按下SB1，I/0端口指示燈中X0滅后亮，I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5滅，且H2滅, KM2、KM3接觸器恢復原狀。接著按下SB3,當KT1未到達設定時間前，立刻按下SB2，I/0端口指示燈中X1亮，隨后I/0端口指示燈中Y0、Y4亮，且H1亮，KM1接觸器吸合；松開SB2，I/0端口指示燈中X1滅，I/0端口指示燈中Y0、Y4滅，KM1接觸器恢復原狀且H1滅；當KT1到達設定時間后，5s后I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5常亮，且H2常亮，KM2、KM3接觸器吸合；按下SB1，I/0端口指示燈中X0滅后亮，I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5滅，且H2滅, KM2、KM3接觸器恢復原狀。最后按下SB4，I/0端口指示燈中X3滅，此刻所運轉的指示燈全滅，Y6亮且H3亮，閃爍頻率為0.5Hz，10s后切換為3Hz；松開SB4，I/0端口指示燈中X3亮，Y6滅、H3滅。

線路整體調試：控制電路調試無誤后，接通電機，進行完整電路的通電試驗進行以下操作，觀察電機運行狀態：按下SB2，電動機連續低速運行，且H1常亮，按下SB1，電動機停轉；按下SB2，電動機連續低速運行，且H1常亮；按下SB3，電動機立刻停轉，且H1滅，5s后電動機開始連續高速運行，且H2常亮；按下SB1，電動機停轉，H2滅；立刻按下SB2，電動機開始低速運轉且H1亮，松開SB2，電動機停轉，H1滅；電動機運轉狀態下，按下SB4，電動機停轉，運轉燈滅，且H3亮，閃爍頻率為0.5Hz，10s后切換為3Hz；松開SB4，H3滅。

4 結語

采用通電延時器與斷電延時器相結合的雙速電動機實現多種功能的控制要求，其圖1電路圖既可以節約能耗，又減少元器件的使用次數從而延長其使用壽命，是一種既節能又經濟的雙速電動機運行控制電路。通過PLC控制系統實現控制要求，能夠實現繼電器控制系統不能實現的控制功能，控制任務改變時不需要改變線路，可利用軟件編程的方式對控制系統進行改進，充分體現PLC的“柔性”控制。