基于PLC的三相異步電動機綜合保護系統研究

屈海龍 崔玲玲

(三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027)

基于PLC的三相異步電動機綜合保護系統研究

屈海龍 崔玲玲

(三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027)

介紹了以可編程序控制器(PLC)為核心的三相異步電動機綜合保護系統的基本原理，并詳細闡述了過電壓、欠電壓、缺相、過載等保護功能的硬件和軟件實現方法。

PLC；三相異步電動機；綜合保護

0 引言

在工業企業、農業、科學試驗及日常生活中，異步電動機的使用非常廣泛，這是因為異步電動機與其他類型的電動機相比，有著構造簡單、運行可靠、價格低廉等許多優點。傳統的電動機保護系統主要是由熔斷器、斷路器和熱過載繼電器等組成保護電路，這種傳統的保護方式雖然比較簡單，價格也較低，但卻存在著保護精度不高、可靠性低、接線復雜等缺點。

PLC是一種新型的通用自動控制裝置，具有可靠性高、體積小、編程簡單、維護方便等一系列優點，因此在工業生產中的應用日益廣泛。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，共同實現了對三相鼠籠型異步電動機的過電壓、欠電壓、缺相、過載等保護功能，其比基于傳統電氣保護元件的保護方式更加靈敏、可靠、簡單。

1 主回路、PLC控制回路及電動機啟停控制的實現

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(電動機啟動按鈕)、SB2(電動機停止按鈕)、KC1(中間繼電器)、HL1(指示燈)組成。

圖1 電動機控制主回路

圖2 PLC控制回路

電動機啟動控制：按下SB1電動機啟動按鈕，PLC接收到啟動信號后，由軟件進行邏輯控制，實現自鎖功能，并輸出一個開關量信號給中間繼電器KC1線圈，KC1常開觸點閉合，真空接觸器KM1線圈得電，主觸點閉合，電動機得電啟動。

電動機停止控制：按下SB2電動機停止按鈕，PLC接收到停止信號后，由軟件進行邏輯控制，解除自鎖，并斷開給中間繼電器KC1的開關量信號，KC1線圈失電，常開觸點斷開，真空接觸器KM1線圈失電，主觸點斷開，電動機斷電停止。

電動機啟停邏輯控制軟件使用梯形圖編寫，如圖3所示。

圖3 電動機啟停邏輯控制

2 過電壓和欠電壓保護功能的實現

使用電壓傳感器實時監測主回路電壓，并將電壓信號轉換為4～20 mA的模擬信號傳輸給PLC控制器，由控制器進行解析，并判斷是否存在過電壓和欠電壓現象，如果存在上述問題，則將電動機故障信號置為TRUE，切斷電動機啟動輸出信號使電動機停止工作，同時將故障信息通過CAN總線發送給顯示器顯示出來，提示操作人員。電壓傳感器信號的解析使用公式：

式中，U為經過解析的電壓返回值(V)；UTVD為電壓傳感器信號的數字量換算值；UTVL為電壓傳感器的量程(V)。

數據計算和處理軟件如圖4所示。

圖4 電壓信號解析

過電壓和欠電壓的標準設為額定電壓的115%和75%，故障判斷軟件如圖5所示。

圖5 故障判斷

3 缺相保護功能的實現

利用電流傳感器實時監測電動機三相電流值，根據現場經驗，當某一相的電流值低于額定電流值的10%時，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，所以對于電流傳感器信號的處理可以調用電壓信號解析程序，其缺相判斷軟件如圖6所示。

圖6 缺相判斷

4 過載保護功能的實現

電動機過載保護時間的確定依據反時限保護曲線：

式中，t為保護時間(s)；k為保護曲線系數，可以根據實際需要任意取值；KI為電流過載倍數。

當保護曲線系數k=10時，曲線如圖7所示。

圖7 系數k=10時的反時限保護曲線

軟件設計如圖8所示，當實際電流達到額定電流的5倍以上時被認為是嚴重的過流現象，需要馬上停機，所以在程序中，將大于5倍額定電流的保護時間定義成0，達到瞬斷保護的目的。因為電動機啟動的瞬間電流是額定電流的5～7倍，所以在電動機啟動時需要增加一個適當的延時，來躲避啟動電流峰值，避免誤動作，由于實現簡單，這里就不再闡述。

圖8 過載保護軟件設計

5 結語

本文給出了實現三相異步電動機啟動、停止控制和過載、缺相保護功能的PLC輸入/輸出接線圖和相關控制程序。當然，實現這些功能的控制程序并不是唯一的，只要能滿足控制和保護的要求，還可以有其他多種不同的邏輯控制方案。目前，PLC已經被大量使用在工程機械等領域，并成為電氣工程師設計電氣控制和保護方案時的首選元件。相信隨著相關技術的進一步發展，PLC必定會從多個方面逐漸融入我們的日常生活。

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[5]張立娟，閆巧枝.基于PLC的平煤四礦鋼纜輸送帶控制系統選型設計[J].煤礦機械，2012(8)

2014-06-09

屈海龍(1983—)，男，遼寧撫順人，助理工程師，從事掘進機電氣系統設計工作。