中高压大型电动机微机(PLC)可控硅软启动装置研究

第３８卷第５期　２０１５年０５月　水电站机电技术　Ｖｏ１．３８　Ｎｏ．５　

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｍａｙ－－１２０１５　２１　

中高压大型电动机微机（ＰＬＣ）可控硅软启动装置研究　张志华ｔ，程远楚ｚ，郭　江　，贾彦博　（１．天津水利电力机电研究所，天津３０１９００；２．武汉大学动力与机械学院，湖北武汉４３００７２）　

摘要：讨论了一种基于ＰＩＥ的可控硅软启动装置，采用简单可靠的可编程控制器（ＰＬＣ）作为硬件平台，通过配置专　门的特殊接口电路和巧妙的软件设计，实现了对电动机的软启动和软停止的控制。降低了软启动装置的故障率，提　高了软启动装置的质量。　关键词：可控硅软启动；可编程控制器（ＰＬＣ）；触发系统；软启动；软停止　中图分类号：ＴＭ５７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—５３８７（２０１５）０５－００２１—０４　ＤＯＩ：１０．１３５９９￣，ｃｎｋｉ．１１－５１３０．２０１５．０５．００７　

１概述　中高压电动机的容量都比较大，一般都在２００　ｋＷ　以上。近些年来，许多行业的生产能力越来越大，其　生产设备的驱动电机也越来越大，如在钢铁、化工、　水利等行业，１０　０００　ｋＷ以上电动机的使用也越来　越多。如果全压启动，启动电流将达到额定电流的　５—１０倍，该启动电流将引起电网电压的急剧下降，　影响电网其他设备的正常运行，甚至引起电网失去　稳定，造成更大的事故，同时启动时的大电流还会损　坏绕组绝缘，减少电机的寿命。当停机的时候，传统　的方式是通过瞬间停电完成的，但有许多应用场合，　不允许电机瞬间停车。例如：高层建筑、大楼的水泵　系统等，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤”效应。　使管道，甚至水泵遭到破坏。为减小和防止“水锤”效　应，需要电机逐渐停机。因此，中高压大型电动机必　须要加软启动装置，以限制电机的启动电流和防止　水锤效应。　现阶段，国内外主要应用的软启动装置有：磁控　软启动装置、液体电阻软启动装置、变频软启动装　置、可控硅软启动装置等，它们都具有各自的优缺　点。磁控软启动装置和液体电阻软启动装置性能较　差并且对环境产生污染，将逐步被淘汰。变频软启动　性能最好，但价格昂贵，只有国外几家大的公司可以　生产，在国内应用的比较少。可控硅软启动性能好，　并且对环境不会造成影响，具有控制方便、可频繁启　动等优点，而且价格比较适中，已成为发达国家的主　

流产品，随着对可控硅软启动装置的认识，国内对可　控硅软启动装置的应用也越来越广泛。但国内应用　的可控硅软启动装置主要是基于单片机或ＤＳＰ的　微机可控硅软起动装置，其软、硬件均由软启动装置　生产厂家或科研单位自行设计，造成系统硬件体系、　软件结构、通讯规约等各不相同，功能的扩展、产品　的互换性和维护性较差。并且由于硬件为自行设计　生产，产品的工艺质量和设计的完善性不能保障，有　时造成系统运行不稳定，并且维护比较困难，当系统　出现故障时，现场技术人员往往不能及时解决，须生　产厂家到现场进行处理。　可编程控制器（ＰＬＣ）由于其按复杂工业现场长　期运行的标准设计，由专业化生产厂家生产，具有先　进的生产工艺流程和严格的质量保证体系，抗干扰　能力强，可靠性高，在工业控制领域和电力系统的顺　序控制中得到了大量应用。因此，采用可编程控制器　（ＰＬＣ）和触摸屏构成软启动器的核心，实现对可控　硅的移相触发控制。通过软件编程实现闭环控制可　控硅的导通角的大小，从而完成对电机启动和停车　的理想化的控制。既满足结构简单、维护方便，又增　加了软启动装置的可靠性。　

收稿日期：２０１５－０３－０６　基金项目：中国水利水电科学研究院科研专项：大型电动机微机　

（ＰＬＣ）可控硅软启动装置研究。　作者简介：张志华（１９７９一），男，工程师，武汉大学在读工程硕士。从　事同步发电机、同步电动机励磁和中高压电动机软启动研究工作。　水电站机电技术　第３８卷　２系统设计　２．１系统原理　系统由ＰＬＣ控制单元、触发单元、可控硅功率　单元、旁路单元、故障保护监测单元、数字移相触发　单元等构成。ＰＬＣ控制单元作为系统的核心，根据传　感器采集的信号按事先设定好的起动曲线进行移相　调节，输出控制电压，控制数字移相触发电路，数字　移相触发电路输出同步触发脉冲，经光纤隔离后传　输至可控硅触发单元，调整可控硅的导通角，进而达　到调整电压的目的，使得输出到电动机上的电压按　照一定曲线缓慢上升，实现电动机的软启动。当电动　机达到额定转速后，旁路接触器吸合，电动机处于旁　路运行状态，完成启动过程。启动完成后，ＰＬＣ控制　单元仍然进行在线检测，负责电机的电压、电流显示　及各种故障的监测。系统原理框图如图１所示。　

图１系统原理框图　２．２　ＰＬＣ控制器选择　当今，ＰＬＣ运算速度很高，控制指令丰富，具有　浮点运算、指针运算、中断响应等功能，为智能化实　时调节提供了物理基础，由于ＰＬＣ特有的继电逻辑　功能，可以将智能化实时调节和继电逻辑操作结合　起来，使得系统控制灵活多变。目前在电力设备中，　调速器、保护、水机自动化、监控都成功的使用了　ＰＬＣ可编程序控制器。本设计利用市场上通用的　ＰＬＣ，通过巧妙的系统设置，配置专门的特殊接口电　路，提高ＰＬＣ的响应速度及解决移相触发的问题，　实现对大型电动机的软启动和软停止的控制。目前，　

国内应用比较广泛的ＰＬＣ主要有西门子、三菱、欧　姆龙、施耐德、ＧＥ等品牌。本设计采用西门子公司的　￥７－２００　ＣＰＵ２２６　ＰＬＣ，主要具有以下优点：　（１）Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换速度快，最高可达１２５　ｓ。　（２）ＣＰＵ运算速度快，可达０．３７　ｓ／ｂ。指令丰　富，具有浮点运算、指针运算、中断、通讯、ＰＩＤ运算、　ＰＷＭ脉冲输出等功能。存储容量大，充分适应现代　控制技术，如最优控制、自适应控制、变结构控制等　控制算法的要求。　（３）输入／输出点多，３２位输人，１６位输出，每点　可设置滤波参数，４个２０　ｋＨｚ的高速计数器，２个高　速输出口，适应实时控制要求。　（４）通信组网能力强，配有２个２３２／４８５通信口，　可方便连接２３２／４８５等通信接口，适应监控系统的　要求。　（５）可控性高，将ＣＰＵ模块，输人／输出ＩＯ模　块，通信模块高度集成一体，简化结构，使用方便。　２．３触发系统设计　触发系统是中高压可控硅软启动的核心部分之　

一，

对可控硅软启动的安全、稳定运行有着非常重要　

的作用。采用ＰＬＣ不能直接实现可控硅的移相触　发，因此，应进行专门设计。　目前，国内的高压可控硅软启动触发系统主要　有高位取能的触发系统和低位送能触发系统。高位　取能触发系统，即触发电路板上的工作电源由动态　均压（即ＲＣ吸收回路）上的电容供应，这样既避免　使用高耐压变压器所带来的高成本，又实现了电气　隔离，避免触发信号受到干扰。但是，高位取能这种　方法仅在软启动过程中适用，而在针对一些泵类负　载设计的软停车过程中，由于在停止过程的后半段　主回路中的电流越来越小，会影响到触发板上电能　的获取，从而影响到对晶闸管的触发。低压侧送能触　发系统是通过供电变压器将控制电源隔离并转换为　触发系统所需电压，这种触发系统变压器体积大，并　且由于变压器一次和二次绕组之间要求达到数万伏　绝缘强度，变压器结构设计困难，制造工艺复杂，经　济成本高，难以满足量产要求。　本设计移相触发电路采用从低压侧利用高频电　流互感器传送能量的方式，电能从低压侧电源引进，　用高压电缆通过穿芯电流互感器为驱动电路供电。　触发电路由专用的数字芯片构成，抗噪声干扰的能　力强，能够及时准确的导通可控硅，并采用光纤进行　第５期　张志华，等：中高压大型电动机微机（ＰＬＣ）可控硅软启动装置研究　２３　触发信号的传输，光纤传输过来的脉冲信号经功率　单元放大后，输出和触发脉冲在相位上完全同步的　电流脉冲信号。电流脉冲信号经高压电缆穿芯高频　电流互感器，在电流互感器的二次侧输出和触发脉　冲相位、陡度上完全相同的电压脉冲信号，脉冲信号　经整理后直接驱动高压可控硅导通。采用可控硅专　用数字触发电路，实现自动同步的触发脉冲，保证了　每相的导通角的触发点相同而不产生误触发。光纤　隔离和高频脉冲电流互感器，使系统具有极高的隔　离特性，削弱了电磁干扰，使系统获得了最大程度的　绝缘与安全，提高了中高压可控硅软启动装置运行　的可靠性和稳定性。触发系统原理图如图２所示。　图２触发系统原理图　２．４人机界面设计　人机界面以人性化设计为基础，采用彩色触摸　屏集中实现仪表数据图形化、数字化显示，按钮、开　关图形化显示和触摸式操作，分页显示故障和报警　信号的指示和列表，运行参数的显示和设定，设备内　部工作状态的数据显示，循环记录存储数据，并可以　有选择的以曲线方式显示。　人机界面主要包括主界面、参数设置界面、启动　方式选择界面、信息查询界面等。主界面的主要功能　为显示装置状态、三相电压、三相电流等实时参数和　进行各种界面之间的切换操作。启动方式选择界面　的主要功能是进行电压斜坡软启动、限流软启动、转　矩控制软启动等软启动方式的选择。信息查询界面　的主要作用是显示最近１Ｏ次的历史故障信息或启　动信息。启动参数设置主要包括启动电压、启动时　间、限流倍数、启起动方式和额定电流等参数的设　置。　通过人机界面显著的提高了操作人员、维护人　员和调试人员的工作效率。提高了装置的运行安全　性和稳定性，基本屏蔽了外界的误操作给设备带来　的损坏，真正实现了操作人员和设备之间的交互。　３系统实现功能　中高压电动机微机（ＰＬｃ）可控硅软启动装置可　实现：电压斜坡启动、恒时启动、限流启动、软停止、　各种保护及限制等功能，可根据不同负载及具体使　用条件选择不同的启动，停止方式。　３．１电压斜坡启动　电压斜坡启动是一种电流开环控制的启动方　式。用户根据电机负载情况、现场工况来设定一个启　动初始电压转矩、启动斜坡上升时间，软启动器即根　据此曲线调节电压大小，电压按照斜坡曲线上升。初　始电压可以在０—１００％全压之间无级设定，斜坡上　升时间也可以在一定范围内无级设定，这样用户就　可以针对不同的电机，设定最适合启动的电压斜坡　上升曲线。电压斜坡软启动如图３所示　Ｕ　

Ｕ。　

Ｕ１　Ｏ　图３电压斜坡软启动　３．２限流启动　限流启动是用的比较多的一种起动方式。起动　过程中软启动器根据电机电流的大小时刻调节触发　角度，使电机的电流能够限定在设定电流值上不会　改变，直至启动完成后电流降到额定电流。这种方式　为电流闭环启动，能够限制电机的最大启动电流，这　样可以尽量减少对电网的压降，同时可以延长电机　的使用寿命。限流软启动如图４所示。　Ｕ（