基于PLC的直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)

楊揚(yáng) 賀明智， 孫利娟 夏歡

（1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044;2.北京京儀椿樹(shù)整流器有限責(zé)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(dòng)力中，均為直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。在斷電情況下為維持水冷卻、油潤(rùn)滑油壓，需要迅速投入備用電源。此類(lèi)電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性要求非常高，而在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流很容易造成電機(jī)的損壞，影響電機(jī)使用壽命，因此直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法也越來(lái)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(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)。

1 直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的原理

式中:U為電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓;Ea為電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);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(duì)正、負(fù)電刷下的接觸電壓降;Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，由電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定;Φ為每極磁通;n為轉(zhuǎn)速。

對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言，在未啟動(dòng)之前n=0，Ea=0，而R一般很小，為零點(diǎn)幾歐姆到一點(diǎn)幾歐姆。當(dāng)電動(dòng)機(jī)直接接入電網(wǎng)并施加額定電壓時(shí)，由于機(jī)械慣性作用n不突變，即加電壓瞬間n=0，啟動(dòng)電流Ist為

直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程可用其基本方程來(lái)解釋

該電流很大，一般情況下能達(dá)到其額定電流的10－20倍。過(guò)大的啟動(dòng)沖擊電流對(duì)電動(dòng)機(jī)是非常有害的。

直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生，通常軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)要求在保證啟動(dòng)時(shí)間的同時(shí)，使啟動(dòng)沖擊電流在額定電流兩倍范圍內(nèi)。現(xiàn)在常用的軟啟動(dòng)控制策略有以下兩種。

（1）電樞回路串接變阻器啟動(dòng)。此方法在電樞回路中串接入變阻器，通過(guò)增大啟動(dòng)時(shí)的電樞電阻來(lái)減小啟動(dòng)沖擊電流，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)即反電勢(shì)Ea建立起來(lái)后，再將電樞電阻值調(diào)回實(shí)際電樞電阻Ra（或?qū)⒆冏杵髦苯优月罚?/p>

（2）降壓?jiǎn)?dòng)。降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓U來(lái)限制啟動(dòng)沖擊電流。這種方法需要專(zhuān)用直流電源（即軟啟動(dòng)器）。啟動(dòng)時(shí)，電源電壓由小增大，電動(dòng)機(jī)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(jì)的直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器采用降壓?jiǎn)?dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)

直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)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(fù)載為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，通過(guò)從輸入端并聯(lián)一路電源給勵(lì)磁供電;控制電路主要包括PLC控制器、驅(qū)動(dòng)電路、開(kāi)關(guān)電源、輸出采樣、人機(jī)交互界面等。

圖1 總原理框圖

2.1 主電路設(shè)計(jì)

由于考慮到設(shè)備運(yùn)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(diǎn)。圖2中，CK為輸入斷路器，KM為勵(lì)磁接觸器。為防止輸入直流電源正、負(fù)反接，直流母線(xiàn)上串聯(lián)一個(gè)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(shí)際所用的開(kāi)關(guān)管只是IGBT模塊內(nèi)部?jī)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)管中的一個(gè)，所以另一個(gè)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(dòng)器主電路

2.2 控制邏輯及算法

本軟啟動(dòng)器主控器件為西門(mén)子PLC控制器，選用的控制CPU型號(hào)為S7－224XP，并擴(kuò)展一塊數(shù)字量輸出模塊EM222，采用梯形圖進(jìn)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(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)板控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷;同時(shí)將輸出的電壓、電流信號(hào)采樣，通過(guò)MPI通信的方式給人機(jī)界面顯示。

軟啟動(dòng)器的PLC控制邏輯如圖4所示?？刂品绞接羞h(yuǎn)程與本地控制兩種，開(kāi)機(jī)時(shí)先將勵(lì)磁接觸器KM閉合，電樞電壓由程序設(shè)定的一個(gè)初始值開(kāi)始按啟動(dòng)控制曲線(xiàn)變化，直至達(dá)到全壓輸出并保持（此時(shí)PWM信號(hào)占空比為1）。運(yùn)行中若有故障發(fā)生程序?qū)⒆詣?dòng)封鎖PWM，并有相應(yīng)的故障報(bào)警與顯示。故障或停機(jī)時(shí)為防止反電勢(shì)對(duì)開(kāi)關(guān)管形成沖擊，勵(lì)磁接觸器待開(kāi)關(guān)管完全管斷后延時(shí)1秒跳閘。

利用西門(mén)子S7－224XP自帶的高速輸入輸出口I0.1（或I0.0）可實(shí)現(xiàn)PWM輸出功能，最高輸出頻率可達(dá)100 kHz。具體對(duì)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(guò)對(duì)周期控制字SMW78賦值可實(shí)現(xiàn)輸出PWM周期的控制，賦值量以SM77.3中所配置的時(shí)基為單位（微秒或毫秒）。PWM占空比由寄存器SMW80控制，通過(guò)直接賦值或調(diào)用函數(shù)的方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比變化的控制。如圖6所示，在本軟啟動(dòng)器中SM77=16#D3，周期SMW78=1000us（開(kāi)關(guān)頻率1kHz），占空比通過(guò)尋址VW4003值而改變，PLS為啟動(dòng)PWM動(dòng)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(duì)PWM占空比進(jìn)行控制則占空比將一直保持一個(gè)常數(shù)而不能變化，不能滿(mǎn)足我們的輸出要求。因此程序中通過(guò)組建函數(shù)并調(diào)用的方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM占空比的任意變化控制。本設(shè)計(jì)中以二次函數(shù)y=ax2+bx+c（a＞0，c＞0）為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)各項(xiàng)系數(shù)的調(diào)整來(lái)觀(guān)察輸出的變化與各項(xiàng)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(dòng)器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡量減小沖擊電流同時(shí)縮短啟動(dòng)時(shí)間。啟動(dòng)時(shí)間按4 s進(jìn)行估算，同時(shí)考慮PLC程序的掃描時(shí)間對(duì)控制產(chǎn)生的延時(shí)影響，初步可取二次函數(shù)為y=2x2+24x+40，即x=16.7時(shí)y=1000。實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)調(diào)整系數(shù)來(lái)觀(guān)察對(duì)輸出的影響。

圖4 PLC邏輯控制圖

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

圖5PWM功能配置

圖6 二次函數(shù)定義

圖7 驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)部框圖

驅(qū)動(dòng)電路采用CONCEPT公司的2SP0115T系列驅(qū)動(dòng)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(dòng)核。SCALE－2芯片組是一套專(zhuān)門(mén)針對(duì)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用的專(zhuān)用集成電路，它包含了大部分的智能驅(qū)動(dòng)器所需要的功能。實(shí)際使用時(shí)通過(guò)給定電源和驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)便可自動(dòng)控制IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷，同時(shí)應(yīng)用驅(qū)動(dòng)模塊自帶的欠壓、短路保護(hù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的有效保護(hù)。在本軟啟動(dòng)器中，通過(guò)PLC控制器產(chǎn)生封鎖脈沖將channel 1一直封鎖，只利用channel 2對(duì)BUCK電路中的IGBT進(jìn)行PWM控制。具體內(nèi)部框圖如圖7所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)輸入DC220V，輸出接直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，開(kāi)關(guān)頻率1kHz。電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)改變二次函數(shù)各項(xiàng)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(xiàn)為y=0.33x2+5時(shí)輸出電壓電流波形;圖9為PWM占空比控制曲線(xiàn)為y=2x2+5時(shí)輸出電壓電流波形;圖10為PWM占空比控制曲線(xiàn)為y=2x2+4x+30時(shí)輸出電壓電流波形;圖11為PWM占空比控制曲線(xiàn)為y=2x2+24x+40時(shí)輸出電壓電流波形。

表1 負(fù)載直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)

由以上波形可分析出以下結(jié)果

（1）常數(shù)項(xiàng)c與啟動(dòng)沖擊電流的關(guān)系。對(duì)比上面四個(gè)波形可以看出，在額定輸出電流為180 A時(shí)，啟動(dòng)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(xiàng)c越大，啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流越大。這是由于啟動(dòng)瞬間電動(dòng)機(jī)還未啟動(dòng)，還未建立反電動(dòng)勢(shì)Ea，相當(dāng)于二次函數(shù)常數(shù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)電壓直接加在了電樞上，所以常數(shù)項(xiàng)c決定了啟動(dòng)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(dòng)時(shí)間的關(guān)系。對(duì)比圖9和圖10，它們的啟動(dòng)時(shí)間分別為16 s和9 s，通過(guò)分析二次函數(shù)的特性可知，二次項(xiàng)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(dòng)增加時(shí)震蕩較大而啟動(dòng)時(shí)間較短;圖 11和圖 12的啟動(dòng)時(shí)間分別為6 s 和 4 s，因?yàn)槌?shù)項(xiàng)對(duì)啟動(dòng)瞬間的沖擊電流影響較大，而對(duì)于啟動(dòng)過(guò)程中的影響并不明顯，所以對(duì)比上述兩圖可知，一次項(xiàng)系數(shù)對(duì)于啟動(dòng)時(shí)間影響很大，一次項(xiàng)系數(shù)越大，啟動(dòng)時(shí)間越短。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)沖擊電流形成的原因，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種由PLC控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)的直流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器。通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)，推導(dǎo)出了本設(shè)計(jì)中的最優(yōu)控制曲線(xiàn)（y=2x2+24x+40），在保證啟動(dòng)時(shí)間的前提下滿(mǎn)足了啟動(dòng)沖擊電流小于兩倍額定電流的要求，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的平滑軟啟動(dòng)。本設(shè)計(jì)對(duì)于各種直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合具有良好的應(yīng)用前景。

［1］劉慧娟，張威.電機(jī)學(xué)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2007:39 －42，201 －203.

［2］ A.E.Fitzgerald，Charles Kingsley Jr，Stephen D.Umans（劉新正等譯）［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004:270－275.

［3］趙俊生，樊文欣，等.電機(jī)與電氣控制及PLC［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:66－69.

［4］ 周順榮.電機(jī)學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2002:301－303，323－328.