基于PLC的直流电动机软启动器的设计.pdf

设计实例 De s i g n I d e a s 电气自动化} 2 0 1 1 年第3 3 卷 第 6 期 基 于 P L C的直流 电动机软启 动器 的设计 杨扬。 贺明智 孙利娟 夏欢 1 ．北京交通大学 电气工程学院， 北京1 0 0 0 4 4； 2 ．北京京仪椿树整流器有限责任公司， 北京1 0 0 0 4 0 摘要基于 P L C的直流电动机软启动器采用开环 P WM控制方法， 减小了直流电动机启动时的冲击电流， 实现了平滑软启动。详细介 绍了直流电动机软启动器主电路和控制电路的设计方法， 最后给出了实验结果。 关键词直流电动机P L C软启动 [ 中图分类号]T M 3 3 1 [ 文献标志码]A[ 文章编号]1 0 0 0 3 8 8 6 2 0 1 1 0 6 0 0 7 7 0 3 Th e DC Mo t o r S o f t - s t a r t e r De s i g n b a s e d O n P L C Y a n g Y a n g H e Mi n g z h i ‘ S u n L i j u a n X i a H u a n 1 ．S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， B e j i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， B e j i n g 1 0 0 0 4 4， C h i n a ； 2 ．B e n g C h u n s h a R e c t ifi e r C o ． ， L t d， B e n g 1 0 0 0 4 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e D C mo t o r S o f t - s t a r t e r b a s e d o n P L C u s e o p e n l o o p P W M c o n t r o l t o r e d u c e i mp u l s e c u r r e n t wh e n DC mo t o r s t a r t i n g a n d a c h i e v e a s mo o t h s o f t s t a r t ． T h e d e s i g n s c h e me o f ma i n c i r c u i t a n d c o n t r o l c i r c u i t i s e x p l a i n e d ． F i n a l l y，t h e e x p e r i me n t r e s u l t i s g i v e n ． Ke y wo r d s D C mo t o r P L C s o f t ． s t a r t 0 引 言 在电力、 化工、 钢铁、 铸造、 塑料材料加工、 环保、 通讯等领域 广泛使用的备用蓄电池组动力中， 均为直流电动机拖动系统。在 断电情况下为维持水冷却、 油润滑油压 ， 需要迅速投入备用电源。 此类电机的启动、 运行稳定性和可靠性要求非常高， 而在电机启 动时产生的冲击 电流很容易造成电机的损坏， 影响电机使用寿 命 ， 因此直流电动机的起动方法也越来越受到人们的重视。本文 提出了一种基于 P L C控制的直流电动机软启动器的设计。 1 直流电动机软启动的原理 直流电动机的启动过程可用其基本方程来解释 f U E 。， d R 2 △ ， ， 、 l 【 E 。 C e n 式中 为电动机的电枢端电压 ； E 为电枢感应 电动势； 为电 枢电流 ； 。 为电枢回路电阻， 包括电枢绕组和换向极绕组电阻； 2 A 为一对正、 负电刷下的接触电压降； C 为电动势常数， 由电 机的结构参数决定； 为每极磁通； n为转速。 对于直流电动机而言， 在未启动之前 n0 ， E 0 ， 而 R一般 很小 ， 为零点几欧姆到一点几欧姆。当电动机直接接入电网并施 加额定电压时， 由于机械惯性作用 n不突变， 即加电压瞬间 n 0 ， 启动电流 为 ， u 一2 △ ， 、 _ 该电流很大， 一般情况下能达到其额定电流的 1 O一2 0倍。 过大的启动冲击电流对电动机是非常有害的。 直流电动机软启动技术在此基础上产生， 通常软启动设计要 求在保证启动时间的同时， 使启动冲击电流在额定电流两倍范围 内。现在常用的软启动控制策略有以下两种。 收稿 日期 2 0 1 1 0 42 5 1 电枢回路串接变阻器启动。此方法在电枢回路 中串接 入变阻器 ， 通过增大启动时的电枢电阻来减小启动冲击电流， 待 电动机转动起来即反电势 E 建立起来后， 再将电枢电阻值调回 实际电枢电阻R 或将变阻器直接旁路 。 2 降压启动。降压启动时通过降低电动机的电枢端电压 u来限制启动冲击电流。这种方法需要专用直流电源 即软启动 器 。启动时， 电源电压由小增大， 电动机转速以规定的加速度上 升， 避免了大的冲击电流。本文中所设计的直流电动机软启动器 采用降压启动的方法来实现。 2 直流电动机软启动器的设计 直 流电动 机软启动器 的 总原理框 图如 图 1所示。输 入为 2 2 0 V直 流， 主 电路 包 括滤波 吸收环 节 和 I G B T模 块； 负 载 为 他 励 直 流 电 动 图 1 总原理框图 机， 通过从输入端并联一路电源给励磁供电； 控制电路主要包括 P L C控制器、 驱动电路、 开关电源、 输出采样、 人机交互界面等。 2 ． 1 主电路设计 由于考虑到设备运行的稳定性和可靠性要求非常高， 所以主 电路采用 B U C K电路。B U C K电路具有稳定可靠、 器件少、 效率 高， 输入输出电流连续的优点。图2中， C K为输入断路器， K M为 励磁接触器。为防止输人直流电源正、 负反接， 直流母线上串联 一 个防反二极管 D l 。c 1 、 C 2 组成滤波吸收环节， 其 中 c 1 为输入 直流滤波电容， c 2为 I G B T高频吸收电容。由于实际所用的开关 管只是 I G B T模块内部两个开关管中的一个， 所以另一个管将由 E le c t r i c a l Au t o ma t io n 7 7 电气 自动化} 2 o H 年第 3 3卷 第 6期 控制 脉 冲将 其 一 直封锁， 并且 将其 反并 联 的 聊 二极 管用 作 主 电路 续 流二 极 管， 这样可提高 器件 的 一致 性 和利用率。 D 3 设计实例 De s i g n Id e a s - 1 i 嘉 电 I 2 ． 2 控制逻辑及算法 图2 软启动器主电路 本软启动器主控器件为西 门子 P L C控制器， 选用 的控制 C P U型号为 s 7 2 2 4 X P， 并扩展一块数字量输出模块 E M2 2 2 ， 采 用梯形图进行编程。C P U除了具有常规的逻辑控制作用外， 它还 产生 P WM信号通过驱动板控制 I G B T的开通与关断； 同时将输 出的电压、 电流信号采样 ， 通过 MP I 通信的方式给人机界面显示。 软启动器的 P L C控制逻辑如图4所示。控制方式有远程与 本地控制两种， 开机时先将励磁接触器 K M闭合 ， 电枢电压 由程 序设定的一个初始值开始按启动控制曲线变化， 直至达到全压输 出并保持 此时P WM信号占空比为 1 。运行中若有故障发生程 序将自动封锁 P WM， 并有相应的故障报警与显示。故障或停机 时为防止反电势对开关管形成冲击， 励磁接触器待开关管完全管 断后延时 1秒跳闸。 利用西门子 S 72 2 4 X P自带的高速输入输出口1 0 ． 1 或 1 0 ． 0 可实现 P WM输出功能， 最高输出频率可达 1 0 0 k Hz 。具体对 特殊状态寄存器 S M 7 7 若选用 1 0 ． 0则是 S M6 7 配置如 图 3所 示 S M 7 71 6 D 3 。 S M 7 7配置好后， 通过对周期控制字 S MW7 8赋值可实现输出 P WM周期的控制， 赋值量以S M7 7 ． 3中所配置的时基为单位 微秒 或毫秒 。P W M 占空比由寄存器 S M W8 0 控制 ， 通过直接赋值或调 用函数的方式可实现对占空比变化的控制。如图6所示， 在本软 启动器中 S M 7 71 6 D 3 ， 周期 S M W7 81 0 0 0 u s 开关频率 l k H z ， 占空比通过寻址 V W4 0 0 3值而改变， P L S为启动 P WM动作。 S M7 7 ． 0 ． 】 ． 2 ． 3 ． 4 ． 5 ． 6 ． 7 0 l 0 I 1 l 0 P WM 更细脉不更新 时基 同步 单段 选择 允许 更新 冲宽度脉冲数 为 U S 更新 操作P WM功能 P WM 图 3 特殊状态寄存 器 S M7 7配置 若采用直接赋值的方法对 P WM 占空比进行控制则 占空比 将一直保持一个常数而不能变化， 不能满足我们的输出要求。因 此程序中通过组建函数并调用的方法可实现对 P WM 占空 比的 任意变化控制。本设计中以二次函数 Ya x c a 0， C 0 为基础， 通过对各项系数的调整来观察输出的变化与各项系数 问的关系， 从而得到最优控制函数。P WM占空比变化如图 5所 示。二次函数编程如图7所示。 软启动器的设计 目标是尽量减小冲击电流同时缩短启动时 间。启动时间按4 S 进行估算， 同时考虑 P L C程序的扫描时间对 控制产生的延时影响， 初步可取二次函数为 Y 2 x 2 4 x 4 0 ， 即 1 6 ． 7时 Y 1 0 0 0 。实验中可通过调整系数来观察对输出的影响。 7 8 E l e c t r ic a l A u t o ma t i o n 图4 P L C逻辑控制图 2 ． 3 驱动电路 ～』g 驱 动 电 路 采 用 。 C O N C E P T 公司的 2 S F O 1 1 5 T系列驱动模 块，2 S P 0 1 1 5 T装备 了 C 0 N C E 公司最新的 S C A L E一2芯 片组 ， 这 是一款低成本的驱动 核。S C A L E一2芯 片 组是一套专门针对驱 动器应用 的专用集成 电路 ， 它包含了大部分 的智能驱动器所需要 图S P WM 功能配置 图6 二次函数定义 设计实例 De s i g n I d e a s 图 7 驱动电路 内部框 图 的功能。实际使用时通过给定电源和驱动脉冲信号便可 自动控 制 I G B T的开通与关断， 同时应用驱动模块 自带的欠压、 短路保护 可实现对 I G B T的有效保护。在本软启动器中， 通过 P L C控制器 产生封锁脉冲将 c h a n n e l 1一直封锁， 只利用 c h a n n e l 2对 B U C K 电路中的 I G B T进行 P WM控制。具体内部框图如图7所示。 3 实验结果 实验输入 D C 2 2 0 V， 输出接直流电动机负载 ， 开关频率 1 k H z 。 电动机参数如表 1 所示。实验时， 通过改变二次函数各项系数得 到输出电流 I 波形与输出电压波形。图8为 P WM占空 比控制曲 线为 Y 0 ． 3 3 x 5时输出电压电流波形； 图 9为 P WM 占空比控 制曲线为 Y 2 x 5时输出电压电流波形； 图 1 0为 P WM 占空比 控制曲线为 Y 2 x 4 3 O时输出电压电流波形 ； 图 1 1 为 P WM 占空比控制曲线为Y 2 x 2 4 x 4 O时输出电压电流波形。 表 1 负载直流电动机参数 由以上波形可分析出以下结果 1 常数项 C 与启动冲击电流的关系。对 比上面四个波形 可以看出， 在额定输出电流为 1 8 0 A时， 启动冲击电流依次为 3 0 A、 3 0 A、 1 4 0 A、 3 3 0 A， 因此二次 函数的常数项 C 越大， 启动时的 冲击电流越大。这是由于启动瞬间电动机还未启动， 还未建立反 电动势 E ， 相当于二次函数常数项对应的启动电压直接加在了 电枢上， 所以常数 项 C决定 了启动 冲击电流的大小。 2 Ⅱ 、 b与 启动时间的关系。 对 比 图 9 和 图 1 0 ， 它们的启动时 间分别为 1 6 s和 9 S ， 通 过分 析二 次函数的特性可 知， 二次项系数越 - ■ - ，， _ ； U I ；⋯0， ． 一 ’ ⋯ l ’ _ _ ● ⋯⋯⋯⋯一 t t ￡ ， {番 l I s ●抛 聃 l 祭 图 8 Y 0 ． 3 3 x 。 5输 出电压电流波形 电气自动化} 2 0 1 1 年第3 3 卷 第6 期 大， 二次函数 的值 变化幅度越大， 由 于 P L C采用 循环 扫描的方式执行程 序， 变化幅度大就 意味着每周期增加 的 占空 比值就 大， 因此 图 1 O的 电 流 在启动增加时震荡 较大而启动时间较 短 ； 图 1 1和 图 1 2 的启动时间分别为 6 S和 4 S ， 因为常 数项对启动瞬间的 冲击 电流影 响较 大， 而对于启动过 程中的影响并不明 显 ， 所 以对 比上 述 两图可知， 一次项 系数对于启动时间 影响很大， 一次项 系数越大， 启动时 间越短。 4结束语 j ⋯ ● t l s ， 格 a 旱坶 甜 ． 1V 图 9 Y 2 x 5输 出电压 电流波形 一一 Iu 电 压 Ⅱ ． 1 0 0 ， 格 _ _ ● - t l g ， 格 图 1 0 Y 2 x 4 x 3 0输 出电压电流波形 本文分析了直 流电动机启动冲击 电流形成的原因， 在 此基础 上设 计 了一 种由P L C控制器产 生 P WM信号的直流西 电动机 软启 动器。 通过分析和实验， 推 导出了本设计中的 控 2 4 x _ 4 0 ．在 保 ’ 证启动时间的前提 碡 i o v 电激I ●‘ ⋯| 1 6 o r 牿 I t 1 ， 措 蕾翟2 下满足了启动冲击 图 1 1 Y 2 x 2 4 x 4 0输出电压电流波形 电流小于两倍额定电流的要求， 实现了电动机的平滑软启动。本设 计对于各种直流电动机拖动场合具有良好的应用前景。 参考文献 [ 1 ]刘慧娟， 张威．电机学与电力拖动基础[ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 7 3 94 2． 2 012 0 3． [ 2 ]A ． E ． F i t z g e r a l d ， C h a r l e s K i n g s l e y J r ， S t e p h e n D ． U m a n s 刘新正等译 [ M] ．北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 4 2 7 0 2 7 5 ． [ 3 ]赵俊生， 樊文欣， 等． 电机与电气控制及 P L C [ M] ． 北京 电子工业出 版社 ， 2 0 0 9 6 66 9 ． [ 4 ]周顺荣．电机学[ M] ．北京 科学出版社， 2 0 0 2 3 0 1 3 0 3 ， 3 2 3 3 2 8 ． 【 作者简介】 杨扬 1 9 8 7 一 ， 男， 云南德宏人， 硕士研究生， 研究方向为 电力 电子与电力传 动。 E l e c t r ic a I Au t o ma t io n 7 9