基于PLC的直流電動機軟啟動器的設(shè)計

楊揚 賀明智， 孫利娟 夏歡

（1.北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044;2.北京京儀椿樹整流器有限責任公司，北京 100040）

0 引言

在電力、化工、鋼鐵、鑄造、塑料材料加工、環(huán)保、通訊等領(lǐng)域廣泛使用的備用蓄電池組動力中，均為直流電動機拖動系統(tǒng)。在斷電情況下為維持水冷卻、油潤滑油壓，需要迅速投入備用電源。此類電機的啟動、運行穩(wěn)定性和可靠性要求非常高，而在電機啟動時產(chǎn)生的沖擊電流很容易造成電機的損壞，影響電機使用壽命，因此直流電動機的起動方法也越來越受到人們的重視。本文提出了一種基于PLC控制的直流電動機軟啟動器的設(shè)計。

1 直流電動機軟啟動的原理

式中:U為電動機的電樞端電壓;Ea為電樞感應(yīng)電動勢;Ia為電樞電流;Ra為電樞回路電阻，包括電樞繞組和換向極繞組電阻;2ΔUs為一對正、負電刷下的接觸電壓降;Ce為電動勢常數(shù)，由電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定;Φ為每極磁通;n為轉(zhuǎn)速。

對于直流電動機而言，在未啟動之前n=0，Ea=0，而R一般很小，為零點幾歐姆到一點幾歐姆。當電動機直接接入電網(wǎng)并施加額定電壓時，由于機械慣性作用n不突變，即加電壓瞬間n=0，啟動電流Ist為

直流電動機的啟動過程可用其基本方程來解釋

該電流很大，一般情況下能達到其額定電流的10－20倍。過大的啟動沖擊電流對電動機是非常有害的。

直流電動機軟啟動技術(shù)在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生，通常軟啟動設(shè)計要求在保證啟動時間的同時，使啟動沖擊電流在額定電流兩倍范圍內(nèi)。現(xiàn)在常用的軟啟動控制策略有以下兩種。

（1）電樞回路串接變阻器啟動。此方法在電樞回路中串接入變阻器，通過增大啟動時的電樞電阻來減小啟動沖擊電流，待電動機轉(zhuǎn)動起來即反電勢Ea建立起來后，再將電樞電阻值調(diào)回實際電樞電阻Ra（或?qū)⒆冏杵髦苯优月罚?/p>

（2）降壓啟動。降壓啟動時通過降低電動機的電樞端電壓U來限制啟動沖擊電流。這種方法需要專用直流電源（即軟啟動器）。啟動時，電源電壓由小增大，電動機轉(zhuǎn)速以規(guī)定的加速度上升，避免了大的沖擊電流。本文中所設(shè)計的直流電動機軟啟動器采用降壓啟動的方法來實現(xiàn)。

2 直流電動機軟啟動器的設(shè)計

直流電動機軟啟動器的總原理框圖如圖 1所示。輸入為220 V直流，主電路包括濾波吸收環(huán)節(jié)和 IGBT模塊;負載為他勵直流電動機，通過從輸入端并聯(lián)一路電源給勵磁供電;控制電路主要包括PLC控制器、驅(qū)動電路、開關(guān)電源、輸出采樣、人機交互界面等。

圖1 總原理框圖

2.1 主電路設(shè)計

由于考慮到設(shè)備運行的穩(wěn)定性和可靠性要求非常高，所以主電路采用BUCK電路。BUCK電路具有穩(wěn)定可靠、器件少、效率高，輸入輸出電流連續(xù)的優(yōu)點。圖2中，CK為輸入斷路器，KM為勵磁接觸器。為防止輸入直流電源正、負反接，直流母線上串聯(lián)一個防反二極管D1。C1、C2組成濾波吸收環(huán)節(jié)，其中C1為輸入直流濾波電容，C2為IGBT高頻吸收電容。由于實際所用的開關(guān)管只是IGBT模塊內(nèi)部兩個開關(guān)管中的一個，所以另一個管將由控制脈沖將其一直封鎖，并且將其反并聯(lián)的二極管用作主電路續(xù)流二極管，這樣可提高器件的一致性和利用率。

圖2 軟啟動器主電路

2.2 控制邏輯及算法

本軟啟動器主控器件為西門子PLC控制器，選用的控制CPU型號為S7－224XP，并擴展一塊數(shù)字量輸出模塊EM222，采用梯形圖進行編程。CPU除了具有常規(guī)的邏輯控制作用外，它還產(chǎn)生PWM信號通過驅(qū)動板控制IGBT的開通與關(guān)斷;同時將輸出的電壓、電流信號采樣，通過MPI通信的方式給人機界面顯示。

軟啟動器的PLC控制邏輯如圖4所示。控制方式有遠程與本地控制兩種，開機時先將勵磁接觸器KM閉合，電樞電壓由程序設(shè)定的一個初始值開始按啟動控制曲線變化，直至達到全壓輸出并保持（此時PWM信號占空比為1）。運行中若有故障發(fā)生程序?qū)⒆詣臃怄iPWM，并有相應(yīng)的故障報警與顯示。故障或停機時為防止反電勢對開關(guān)管形成沖擊，勵磁接觸器待開關(guān)管完全管斷后延時1秒跳閘。

利用西門子S7－224XP自帶的高速輸入輸出口I0.1（或I0.0）可實現(xiàn)PWM輸出功能，最高輸出頻率可達100 kHz。具體對特殊狀態(tài)寄存器SM77（若選用I0.0則是SM67）配置如圖3所示:SM77=16#D3。

SM77配置好后，通過對周期控制字SMW78賦值可實現(xiàn)輸出PWM周期的控制，賦值量以SM77.3中所配置的時基為單位（微秒或毫秒）。PWM占空比由寄存器SMW80控制，通過直接賦值或調(diào)用函數(shù)的方式可實現(xiàn)對占空比變化的控制。如圖6所示，在本軟啟動器中SM77=16#D3，周期SMW78=1000us（開關(guān)頻率1kHz），占空比通過尋址VW4003值而改變，PLS為啟動PWM動作。

圖3 特殊狀態(tài)寄存器SM77配置

若采用直接賦值的方法對PWM占空比進行控制則占空比將一直保持一個常數(shù)而不能變化，不能滿足我們的輸出要求。因此程序中通過組建函數(shù)并調(diào)用的方法可實現(xiàn)對PWM占空比的任意變化控制。本設(shè)計中以二次函數(shù)y=ax2+bx+c（a＞0，c＞0）為基礎(chǔ)，通過對各項系數(shù)的調(diào)整來觀察輸出的變化與各項系數(shù)間的關(guān)系，從而得到最優(yōu)控制函數(shù)。PWM占空比變化如圖5所示。二次函數(shù)編程如圖7所示。

軟啟動器的設(shè)計目標是盡量減小沖擊電流同時縮短啟動時間。啟動時間按4 s進行估算，同時考慮PLC程序的掃描時間對控制產(chǎn)生的延時影響，初步可取二次函數(shù)為y=2x2+24x+40，即x=16.7時y=1000。實驗中可通過調(diào)整系數(shù)來觀察對輸出的影響。

圖4 PLC邏輯控制圖

2.3 驅(qū)動電路

圖5PWM功能配置

圖6 二次函數(shù)定義

圖7 驅(qū)動電路內(nèi)部框圖

驅(qū)動電路采用CONCEPT公司的2SP0115T系列驅(qū)動模塊，2SP0115T裝備了CONCEPT公司最新的SCALE－2芯片組，這是一款低成本的驅(qū)動核。SCALE－2芯片組是一套專門針對驅(qū)動器應(yīng)用的專用集成電路，它包含了大部分的智能驅(qū)動器所需要的功能。實際使用時通過給定電源和驅(qū)動脈沖信號便可自動控制IGBT的開通與關(guān)斷，同時應(yīng)用驅(qū)動模塊自帶的欠壓、短路保護可實現(xiàn)對IGBT的有效保護。在本軟啟動器中，通過PLC控制器產(chǎn)生封鎖脈沖將channel 1一直封鎖，只利用channel 2對BUCK電路中的IGBT進行PWM控制。具體內(nèi)部框圖如圖7所示。

3 實驗結(jié)果

實驗輸入DC220V，輸出接直流電動機負載，開關(guān)頻率1kHz。電動機參數(shù)如表1所示。實驗時，通過改變二次函數(shù)各項系數(shù)得到輸出電流I波形與輸出電壓波形。圖8為PWM占空比控制曲線為y=0.33x2+5時輸出電壓電流波形;圖9為PWM占空比控制曲線為y=2x2+5時輸出電壓電流波形;圖10為PWM占空比控制曲線為y=2x2+4x+30時輸出電壓電流波形;圖11為PWM占空比控制曲線為y=2x2+24x+40時輸出電壓電流波形。

表1 負載直流電動機參數(shù)

由以上波形可分析出以下結(jié)果

（1）常數(shù)項c與啟動沖擊電流的關(guān)系。對比上面四個波形可以看出，在額定輸出電流為180 A時，啟動沖擊電流依次為30 A、30 A、140 A、330 A，因此二次函數(shù)的常數(shù)項c越大，啟動時的沖擊電流越大。這是由于啟動瞬間電動機還未啟動，還未建立反電動勢Ea，相當于二次函數(shù)常數(shù)項對應(yīng)的啟動電壓直接加在了電樞上，所以常數(shù)項c決定了啟動沖擊電流的大小。

圖8 y=0.33x2+5輸出電壓電流波形

（2）a、b與啟動時間的關(guān)系。對比圖9和圖10，它們的啟動時間分別為16 s和9 s，通過分析二次函數(shù)的特性可知，二次項系數(shù)越大，二次函數(shù)的值變化幅度越大，由于PLC采用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行程序，變化幅度大就意味著每周期增加的占空比值就大，因此圖10的電流在啟動增加時震蕩較大而啟動時間較短;圖 11和圖 12的啟動時間分別為6 s 和 4 s，因為常數(shù)項對啟動瞬間的沖擊電流影響較大，而對于啟動過程中的影響并不明顯，所以對比上述兩圖可知，一次項系數(shù)對于啟動時間影響很大，一次項系數(shù)越大，啟動時間越短。

4 結(jié)束語

本文分析了直流電動機啟動沖擊電流形成的原因，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種由PLC控制器產(chǎn)生PWM信號的直流電動機軟啟動器。通過分析和實驗，推導出了本設(shè)計中的最優(yōu)控制曲線（y=2x2+24x+40），在保證啟動時間的前提下滿足了啟動沖擊電流小于兩倍額定電流的要求，實現(xiàn)了電動機的平滑軟啟動。本設(shè)計對于各種直流電動機拖動場合具有良好的應(yīng)用前景。

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