摘要：采用軟啟動器，可以控制電動機電壓，使其在啟動過程中逐漸升高，很自然地控制啟動電流，這就意味著電動機可以平穩(wěn)啟動，機械和電應力降至最小。因此軟啟動器在市場上得到廣泛應用，并且軟啟動器所附帶的軟停車功能有效地避免水泵停止時所產(chǎn)生的“水錘效應”。本文主要研究PLC在低壓啟動柜中的控制，采用三菱PLC進行控制研究，分配I/O端子，編寫程序，通過PLC的控制實現(xiàn)軟啟動、軟停車以及一些指示動作。

關(guān)鍵詞：PLC；軟啟動器；低壓啟動柜

0前言

可編程邏輯控制器PLC（ProgrammableLogicC1ontroller），是微機技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心、用作數(shù)字控制的專用計算機。

自1969年針對工業(yè)自動控制的特點需要而開發(fā)的第一臺PLC面試以來，迄今已經(jīng)30多年了，其發(fā)展包含的前期控制技術(shù)的繼承和演變，但又不同于順序控制器和通用的微機控制裝置。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的實時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電氣操作人員的技能和習慣，擯棄了微機常用的計算機編程語言的表達方式獨具風格地形成了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，是用戶程序的編制清晰之直觀，方便易學，調(diào)試和查錯都很容易。

傳統(tǒng)的三相異步電動機的啟動線路比較簡單，不需要增加額外的啟動設(shè)備；但其啟動電流沖擊一般還很大，啟動轉(zhuǎn)矩較小而且固定不可調(diào)。而軟啟動器主要由交流調(diào)壓電路和控制電路構(gòu)成，其基本原理是利用晶閘管的移相控制原理，通過控制晶閘管的導通角，改變其輸出電壓，達到通過調(diào)壓發(fā)稿時來控制啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩的目的，由于軟啟動器為電子調(diào)壓并對電流實時監(jiān)測，因此還具有對電動機和軟啟動器本身的熱保護、限制轉(zhuǎn)矩和電流沖擊、三相電源不平衡、缺相、斷相等保護功能，并可實時檢測并顯示如電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)。

1軟啟動概述

軟啟動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為SoftStarter。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。

電動機軟起動器是運用串接于電源與被控電機之間的軟起動器，控制其內(nèi)部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以預設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動結(jié)束，賦予電機全電壓，即為軟起動，在軟起動過程中，電機起動轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。

2電機啟動

2.1三相異步電動機的啟動

異步電動機以其優(yōu)良的性能及無需維護的特點，在各行各業(yè)中得到廣泛的應用。然而由于其起動時要產(chǎn)生較大沖擊電流(一般為額定電流的5-8倍)，同時由于起動應力較大，使負載設(shè)備的使用壽命降低。為此，人們往往需要配備限制電機起動電流的起動設(shè)備，過去人們多采用Y/△轉(zhuǎn)換，自耦降壓，磁控降壓等方式來實現(xiàn)。這些方法雖然可以起到一定的限流作用，但沒有從根本上解決問題

電動機帶動生產(chǎn)機械的啟動過程中，不同的生產(chǎn)機械有著不同的啟動情況。有些機械在啟動時負載轉(zhuǎn)矩很小，負載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速增加而與速度平方似成正比增加；有些機械在啟動過程中接近空載，待速度上升至接近穩(wěn)定時，再加負載；有些機械在啟動時的負載轉(zhuǎn)矩與正常運行是一樣大，此外，還有頻繁啟動的機械設(shè)備等。以上這些因素都將對電動機的啟動性能之一的啟動轉(zhuǎn)矩提出不同的要求。

與直流電動機一樣，衡量三相異步電動機啟動性能好壞的最主要的是啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩，我們總希望在啟動電流較小的情況下獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩。但是一臺普通的三相異步電動機不采措施而直接投入電網(wǎng)啟動，即全壓啟動時，其啟動電流較大，而啟動轉(zhuǎn)矩卻不是很大，這對電網(wǎng)或電動機自身均是不利的。

啟動電流大的原因是，當電動機接入電網(wǎng)的啟動瞬時由于n=0，轉(zhuǎn)子處于靜止狀態(tài)，則旋轉(zhuǎn)磁場以n1切割轉(zhuǎn)子導體，故轉(zhuǎn)子電動勢及電流到達最大值，因而定子電流即啟動電流也到達最大值，約是額定電流的5~7倍，這樣大的啟動電流會使電源和供電線路上的壓降增大，引起電網(wǎng)電壓波動，影響并聯(lián)在同一電網(wǎng)上其他負載正常工作。對于電動機本身來說，雖然啟動電流大，但持續(xù)時間不長，損耗引起的溫度增加來不及升到過熱程度，因而不致起破壞左右。

啟動轉(zhuǎn)矩不大的原因是：第一，由于啟動電流很大，定子繞組中的阻抗壓降增大，而電源電壓不變，根據(jù)定子電路的電勢平衡方程式，感應電動勢減小，則主磁通Φ1將與感應電動勢成比例的減??；第二，啟動時s=1，轉(zhuǎn)子漏抗比轉(zhuǎn)子

電阻大的多，轉(zhuǎn)子功率因數(shù)很低，雖然啟動電流很大，但轉(zhuǎn)子電流的有功分量并不大。起動轉(zhuǎn)矩并不大，一般為額定轉(zhuǎn)矩的1.8~2倍。

根據(jù)以上分析可知三相異步電動機啟動時的起動電流大主要對電網(wǎng)不利；啟動轉(zhuǎn)矩不是很大對負載不利，這是因為若電源電壓因種種原因下降較多，則會引起起動轉(zhuǎn)矩按電壓平方下降，可能會是電動機帶不動負載啟動。一般情況下啟動是要求盡可能降低起動電流，有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，同時啟動設(shè)備盡可能經(jīng)濟簡單，操作方便，且啟動時間要短。

2.2電機全壓啟動的危害

從三相異步電動機固有機械特性的分析中知道，如果在額定電壓直接起動三相異步電動機，由于最初起動瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù)又很低，造成了起動電流相當大而起動轉(zhuǎn)矩并不大的結(jié)果。以普通鼠籠式三相異步電動機為例，起動電流：IS=KIIN=（4-7）IN，起動轉(zhuǎn)矩：TS=KTTN=（0.9-1.3）TN。再看對供電變壓器的影響，整個交流電網(wǎng)的容量相對于單個的三相異步電動機來講是非常大的。但是具體到直接供電的變壓器來講，容量卻是有限的。配電變壓器的容量是按其供電的負載總?cè)萘吭O(shè)置的，正常運行條件下，變壓器由于電流不超過額定電流，其輸出電壓比較穩(wěn)定，電壓變化率在允許的范圍之內(nèi)。三相異步電動機起動時，變壓器提供較大的起動電流，會使變壓器輸出電壓下降。若變壓器額定容量相對很大、電動機額定功率相對很小時，短時起動電流不會使

變壓器輸出電壓下降多少，因此也沒有什么關(guān)系。若變壓器額定容量相對不夠大、電動機額定功率相對不算小時，電動機短時較大的起動電流，會使變壓器輸出電壓短時下降幅度較大，超過了正常值，這樣一來，影響了幾個方面：

①起動電動機本身，由于電壓太低起動轉(zhuǎn)矩下降很多，當負載較重時，可能起動不了。電動機較大的起動電流引起電壓下降，對電動機本身有著不良影響，因電壓太低會使電動機起動轉(zhuǎn)矩下降很多，當負載較重時，電動機可能不能起動。

②通常電動機起動過程時間很短，短時間過大的電流，從發(fā)熱角度來看，電動機本身是可以承受的。但是，對于起動頻繁的電動機，過大的起動電流會使電動機內(nèi)部過熱，導致電機溫升過高，使電機繞組絕緣過熱而老化。

大中異步電動機直接起動的再一個危害就是影響由同一臺配電變壓器供電的其他負載。顯然，即使是偶爾出現(xiàn)一次，也是不允許的。從上邊分析看出，變壓器額定容量相對電動機講不足夠大時，三相異步電動機不允許直接起動。

3系統(tǒng)原理和方案設(shè)計

軟啟器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機定子之間。這種電路如三相全控橋式整流電路。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。

3.1軟啟動軟停車原理分析

磁控式可調(diào)電抗原理圖如圖，電抗原始值為LO，可調(diào)電源的電流值改變時，由于互感的作用，電抗的輸出值也隨之變化，合理選擇電感參數(shù)，可使電源電壓由小到大變化時電抗輸出值在L0~LO之間變化。

在實際裝置中電抗有三組，分別串聯(lián)在電機的三相繞組中?？烧{(diào)電源為可控硅，通過改變可控硅的觸發(fā)角來改變輸出電壓，從而改變電抗的輸出電抗值。

3.2主回路圖

L1,L2,L3為三相電源的三根接線，QF為斷路器，KM為旁路接觸器觸點，M為電動機。

先合上斷路器QF，電動機開始啟動。軟啟動器調(diào)節(jié)可控硅的導通角，使電動機逐漸加速。經(jīng)延時，電動機轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速，軟啟動完成，旁路回路接觸器KM動作,接通旁路回路，將軟啟動器短接，讓電源直接經(jīng)KM觸點，電動機正常工作，軟啟動結(jié)束。啟動完成后，讓電源經(jīng)由旁路，這樣延長了軟啟動器的壽命，同時也使電網(wǎng)避免了諧波污染。

3.3軟啟動分析

電機軟啟動時，按下啟動按鈕軟啟動器接通，繼電器KA1吸合自鎖，停止指示燈滅，開始軟啟動工作。經(jīng)延時，電機轉(zhuǎn)速接近（或者達到）額定轉(zhuǎn)速后，軟啟動結(jié)束。PLC接受信號控制旁路接觸器的控制觸點動作，KM閉合，接通旁路，使軟啟動內(nèi)部的主電路短接，讓電源直接經(jīng)KM主觸點，電動機正常工作。

3.4軟停車分析

電機正常運轉(zhuǎn)，旁路接觸器的控制觸點動作，KM斷開，此時接通軟啟動器，電機緩慢減速，經(jīng)過延時Xs（軟啟動器設(shè)置的軟停時間）KA1斷開，KM和KA1都斷開，則停止指示燈亮，電機停止通電。軟停車可以有效地避免水泵停止時所產(chǎn)生的“水錘效應”。

4硬件設(shè)計

根據(jù)裝置工作需要，選用合適的PLC是關(guān)鍵所在。在本設(shè)計中選擇性價比較高的日本三菱公司的FX2N系列FX2N-16MR-001可編程控制器來構(gòu)建控制系統(tǒng)。采用交流220V電源供電，主模塊本身帶有8路開關(guān)量輸入，用于檢測控制命令和開關(guān)狀態(tài)；6路繼電器型開關(guān)量輸出，用于各操作開關(guān)的控制。

FX2N系列是三菱PLCFX家族中最先進的系列。有高速處理及可擴展大量滿足單個需要的特殊功能模塊，靈活性和控制能力強。其具有以下功能軟停車，電機正常運行，若電動機存在故障，則關(guān)閉軟啟動器，旁路斷開，電動機直接停止。無故障則開始軟停車，旁路接觸器斷開，電源經(jīng)軟啟動器，電動機逐漸減速。經(jīng)延時，電動機停止轉(zhuǎn)動，則軟停車完成，軟啟動器主電路繼電器斷開，軟啟動器停止工作，軟停車啟動結(jié)束。

在實際的生產(chǎn)應用當中，往往需要實現(xiàn)一臺軟啟動器對多臺電動機的起動，所以，用PLC實現(xiàn)“一拖多”就具備了極其實用的意義。軟起動器可設(shè)置為軟起動、軟停止，限流起動和智能制動等工作方式，軟起動器特別適用于大容量電動機的起動、停止控制，它實際上是一種智能的產(chǎn)品。

5總結(jié)

本文針對基于PLC控制的三相異步電動機的軟啟動、軟停車等控制問題，設(shè)計了以PLC為核心的智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電動機的軟啟動、軟停車，還兼有各種具有時間共用的小設(shè)計，以及電路的保護功能。利用軟啟動器啟動電動機，能夠是電動機平滑啟動，避免了電動機直接啟動時產(chǎn)生的巨大電流對電網(wǎng)的沖擊以及硬停車時產(chǎn)生的“水錘效應”。