PLC實(shí)現(xiàn)的電機(jī)堵轉(zhuǎn)自動(dòng)保護(hù)探討

摘要：電動(dòng)機(jī)在驅(qū)動(dòng)對(duì)象運(yùn)行過程中，由于機(jī)械故障、負(fù)荷過大、電壓突然降低等原因，會(huì)出現(xiàn)突然減速或停止旋轉(zhuǎn)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，堵轉(zhuǎn)會(huì)造成電動(dòng)機(jī)溫度升高，導(dǎo)致其絕緣加速老化，最后燒毀電動(dòng)機(jī)的事故。利用PLC實(shí)現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)自動(dòng)保護(hù)，能對(duì)啟動(dòng)過程和正常運(yùn)行過程中發(fā)生的堵轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)，克服了常規(guī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)反應(yīng)速度慢和準(zhǔn)確性差的缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；電動(dòng)機(jī)；堵轉(zhuǎn)保護(hù)；定時(shí)器；運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)；PLC 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP273 文章編號(hào)：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(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)造成的故障，對(duì)經(jīng)常發(fā)生堵轉(zhuǎn)的設(shè)備就要適當(dāng)提高電動(dòng)機(jī)功率，增加電動(dòng)機(jī)的扭矩，確保電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩始終大于負(fù)載力矩。此外堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路是易發(fā)生電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)設(shè)備必備的保護(hù)措施，而通常采用速度繼電器的防堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路，由于速度繼電器自身結(jié)構(gòu)和靈敏度影響，對(duì)步進(jìn)、角度等精確移動(dòng)的機(jī)械設(shè)備很難進(jìn)行有效的堵轉(zhuǎn)保護(hù)。筆者通過對(duì)傳統(tǒng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路的分析，提出了一個(gè)適合于三相異步電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)的有效方案，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

2 電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)的原因

電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)的原因很多，主要是由于使用系統(tǒng)或電動(dòng)機(jī)本身原因造成堵轉(zhuǎn)，比如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由于機(jī)械原因或瞬時(shí)負(fù)荷太大超出電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力發(fā)生卡堵，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸被驅(qū)動(dòng)設(shè)備卡死，電動(dòng)機(jī)無法驅(qū)動(dòng)造成堵轉(zhuǎn)；此外，電動(dòng)機(jī)由于長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)造成軸承磨損，出現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子與定子間隙偏差過大，當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)向力過大時(shí)，就會(huì)造成轉(zhuǎn)子與定子接觸，過大的摩擦力使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無法旋轉(zhuǎn)，也會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度急劇上升，破壞電動(dòng)機(jī)絕緣，燒毀繞組。電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流變化迅速，這一過程會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，且這種現(xiàn)象不易被提前發(fā)現(xiàn)，對(duì)電動(dòng)機(jī)的破壞十分嚴(yán)重。

為什么在電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組會(huì)產(chǎn)生過大的電流？以三相異步電動(dòng)機(jī)為例，當(dāng)三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子中感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也在定子繞組感應(yīng)出反電勢(shì)，也就是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，起到阻止電動(dòng)機(jī)定子電流增加的作用，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子不能旋轉(zhuǎn)，在定子中的感應(yīng)反電勢(shì)也就沒有了，定子電流由于轉(zhuǎn)子感應(yīng)反電勢(shì)為零而迅速升高，直至發(fā)生短路。對(duì)同步電動(dòng)機(jī)和交、直流伺服電動(dòng)機(jī)，同樣是通過電磁轉(zhuǎn)換將電能變?yōu)闄C(jī)械能，當(dāng)上述電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，反電勢(shì)也沒有了，電動(dòng)機(jī)就像接在電源中的一個(gè)電感元件，只有其自身的電阻和電感，自然電流會(huì)大大增加。為了檢驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的過流性能，一般大修過的電動(dòng)機(jī)都要做堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)，以校驗(yàn)電動(dòng)機(jī)的性能。

3 常用電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)的保護(hù)電路

電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)在一定程度上可以理解為過載保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時(shí)表明負(fù)載突然增大，電動(dòng)機(jī)輸出力矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，但此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電流卻很大，極容易燒壞電動(dòng)機(jī)，因此設(shè)置了堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路。

一般電動(dòng)機(jī)控制電路都有過載保護(hù)功能，通常電動(dòng)機(jī)采用繼電器實(shí)現(xiàn)的過載保護(hù)或低壓斷路器自帶的過流繼電器實(shí)現(xiàn)的過流保護(hù)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)合閘啟動(dòng)后較長(zhǎng)時(shí)間電流不能降下來，過載保護(hù)熱繼電器將動(dòng)作，主電路接觸器斷開電動(dòng)機(jī)的電源，它只適合于電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行引起的溫升過高保護(hù)。對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)，通常采用速度繼電器實(shí)現(xiàn)的保護(hù)，它通過時(shí)間繼電器和轉(zhuǎn)速開關(guān)的轉(zhuǎn)速接點(diǎn)以邏輯與的串聯(lián)關(guān)系控制接觸器線圈實(shí)現(xiàn)跳閘。在三相異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)斷接點(diǎn)連接定時(shí)器線圈KT，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，速度繼電器KV動(dòng)斷觸電打開，定時(shí)器KT線圈斷電，電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行；當(dāng)發(fā)生電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，速度繼電器KT動(dòng)斷接點(diǎn)復(fù)位閉合，定時(shí)器KT線圈得電延時(shí)，延時(shí)時(shí)間到，通過定時(shí)器KT延時(shí)動(dòng)斷接地，使接觸器KM線圈斷電，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

由于速度繼電器KV的接點(diǎn)動(dòng)作是通過內(nèi)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(dòng)作，接點(diǎn)有一定的延時(shí)，并且只適合高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。因此，這種傳統(tǒng)堵轉(zhuǎn)保護(hù)具有一定的局限性，不適合用于低速運(yùn)轉(zhuǎn)、移位和角度運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

4 PLC實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)自動(dòng)保護(hù)

針對(duì)采用速度繼電器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)存在的不足，筆者通過PLC控制解決了上述堵轉(zhuǎn)保護(hù)的問題。電動(dòng)機(jī)是PLC的主要控制對(duì)象，通過外部光電傳感器的檢測(cè)信號(hào)和PLC內(nèi)部定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等器件，編制堵轉(zhuǎn)保護(hù)控制程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)、移位和角度運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

PLC實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路的主要設(shè)備有西門子S7-200（型號(hào)CPU222AC/DC/繼電器）PLC用于實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)控制，在電動(dòng)機(jī)的軸端連接角度盤，并在0度開孔，使光電開關(guān)SQ在此處工作狀態(tài)發(fā)生變化，用于檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)情況。當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，光電開關(guān)SQ會(huì)停留在ON/OFF工作狀態(tài)，PLC根據(jù)檢查到的信號(hào)，通過程序判斷，確認(rèn)電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)后發(fā)出控制命令，使電動(dòng)機(jī)停止并發(fā)出報(bào)警指示。

PLC實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)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(dòng)按鈕SB2→輸入繼電器I0.0得電→動(dòng)合觸點(diǎn)I0.0閉合→輸出繼電器Q0.0線圈得電→接觸器KM1吸合，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)并運(yùn)行，輸出繼電器Q0.0的動(dòng)合觸點(diǎn)Q0.0[1]自鎖，使輸出繼電器Q0.0線圈保持有電狀態(tài)。輸出繼電器Q0.0的動(dòng)合觸點(diǎn)Q0.0[2]閉合→堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路得電開始工作→電動(dòng)機(jī)運(yùn)行后，角度盤隨著電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，光電開關(guān)由于角度盤0度孔的不斷變化，使光電開關(guān)動(dòng)合觸點(diǎn)I0.3、動(dòng)斷觸點(diǎn)I0.3交替閉合→定時(shí)器T110、定時(shí)器T111線圈延時(shí)時(shí)間不足→定時(shí)器T110、定時(shí)器T111的接點(diǎn)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(dòng)斷接點(diǎn)始終閉合，輸出繼電器Q0.0線圈保持得電狀態(tài)→接觸器KM吸合狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)正常工作。

當(dāng)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)不能轉(zhuǎn)動(dòng)，角度盤停留在某一個(gè)狀態(tài)，光電開關(guān)SQ會(huì)照射在角度盤的某一個(gè)位置，使光電開關(guān)SQ接點(diǎn)保持在一種狀態(tài)（閉合或斷開）。假定光電開關(guān)SQ照射在角度盤的非0度孔外，光電開關(guān)SQ閉合→動(dòng)合觸點(diǎn)I0.3閉合→定時(shí)器T111線圈得電開始延時(shí)，定時(shí)器T111線圈延時(shí)時(shí)間到→定時(shí)器T111動(dòng)合觸點(diǎn)閉合→輔助繼電器M0.0線圈得電→輔助繼電器M0.0動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開→輸出繼電器Q0.0線圈失電→接觸器KM1釋放，電動(dòng)機(jī)停止工作，實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)；與此同時(shí)，輔助繼電器M0.0動(dòng)合觸點(diǎn)閉合→輸出繼電器Q0.1線圈得電→報(bào)警信號(hào)燈HL亮，發(fā)出堵轉(zhuǎn)報(bào)警信號(hào)。

對(duì)低速運(yùn)轉(zhuǎn)、移位和角度運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，可根據(jù)運(yùn)動(dòng)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)整堵轉(zhuǎn)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，以達(dá)到預(yù)期的堵轉(zhuǎn)保護(hù)效果。調(diào)整堵轉(zhuǎn)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間的方法是，通過定時(shí)器T110、定時(shí)器T111延時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方式可采用程序預(yù)置時(shí)間，即在每次向S7-200下載程序時(shí)，將堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間設(shè)置好，在設(shè)備運(yùn)行后就不能改變，只能通過再次下載程序進(jìn)行調(diào)整；另一種調(diào)整方式是通過S7-200外置的模擬量調(diào)整旋鈕，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)給定，在設(shè)備停止時(shí)，調(diào)整模擬量給定旋鈕，改變堵轉(zhuǎn)保護(hù)時(shí)間，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行后就按照給定的保護(hù)時(shí)間進(jìn)行堵轉(zhuǎn)保護(hù)。PLC實(shí)現(xiàn)的電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)控制方案具有很好的適用性，在保證電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的情況下，可以有效避免由于堵轉(zhuǎn)造成的電動(dòng)機(jī)損壞。

對(duì)移位和角度運(yùn)行精度要求高、位移變化小的設(shè)備，為提高堵轉(zhuǎn)保護(hù)的準(zhǔn)確性，更好保護(hù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)在位移和角度運(yùn)行中出現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)故障，可用旋轉(zhuǎn)編碼器代替光電開關(guān)SQ。根據(jù)編碼器輸入的脈沖信號(hào)頻率和數(shù)量，通過高速計(jì)數(shù)器指令進(jìn)行比較和判斷，確定電動(dòng)機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，并最終確定電動(dòng)機(jī)是否需要停止運(yùn)行。筆者通過S7-200的高速計(jì)數(shù)器指令HSC0（工作模式2，內(nèi)部方向控制單向計(jì)數(shù)器）和旋轉(zhuǎn)編碼器，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單向運(yùn)行的堵轉(zhuǎn)保護(hù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)送堵轉(zhuǎn)時(shí)，PLC能夠迅速停止發(fā)出脈沖信號(hào)，使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止工作，實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

5 結(jié)語

對(duì)進(jìn)行角度和位置精確移動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、交直流伺服電動(dòng)機(jī)，采樣傳統(tǒng)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)方式很難實(shí)現(xiàn)可靠保護(hù)，當(dāng)引進(jìn)了PLC控制后，這一情況就大為改觀。通過對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并做出有效的判斷，這是以往采用電動(dòng)機(jī)電流變化間接監(jiān)測(cè)不具備的優(yōu)勢(shì)。PLC控制系統(tǒng)由于其控制功能的豐富和完善，對(duì)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)有了更全面的創(chuàng)新和發(fā)展，PLC實(shí)現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)在使用上更加貼近工程實(shí)例，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，PLC控制系統(tǒng)在電氣控制系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 王超.談?wù)効删幊炭刂破飨到y(tǒng)設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)技巧[J].計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用，2011，12（6）.

[2] 裴元方，馮萍，康繼昌.PLC梯形圖的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述方法[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2009，12（5）.

[3] 郭宗仁，王志凱，李琰.PLC分級(jí)遞階智能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用[J].電子學(xué)報(bào)，2002，4（6）.

[4] 劉遠(yuǎn)博，薛麗賢，鄭毅.可編程控制器PLC控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)探討[J].黃金，2011，4（9）.

[5] 陳冠玲，吳小滔.提高PLC程序運(yùn)行速度的幾種編程方法[J].自動(dòng)化儀表，2005，26（8）.

作者簡(jiǎn)介：金沙（1965-），男，遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化系副教授，碩士。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）