设计实例 Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｄｅａｓ 《电气自动化｝）２０１１年第３３卷第６期 基于ＰＬＣ的直流电动机软启动器的设计 杨扬。 贺明智 孙利娟 夏欢 （１．北京交通大学电气工程学院，北京摘１０００４４；２．北京京仪椿树整流器有限责任公司，北京１０００４０） 要：基于ＰＬＣ的直流电动机软启动器采用开环ＰＷＭ控制方法，减小了直流电动机启动时的冲击电流，实现了平滑软启动。详细介 绍了直流电动机软启动器主电路和控制电路的设计方法，最后给出了实验结果。 ＰＬＣ软启动 关键词：直流电动机［中图分类号］ＴＭ３３１［文献标志码］Ａ［文章编号］１０００—３８８６（２０１１）０６—００７７—０３ Ｔｈｅ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ Ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔｅｒ Ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｅｄ Ｏｎ Ｐ ＬＣ Ｙａｎｇ Ｙａｎｇ Ｈｅ Ｍｉｎｇｚｈｉ ‘ Ｓｕｎ Ｌｉｊｕａｎ Ｘｉａ Ｈｕａｎ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅ￣ｊｉｎｇ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅ￣ｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｂｅ ｎｇ Ｃｈｕｎｓｈａ Ｒｅｃｔｉｉｆｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅ ｎｇ １０００４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ＤＣ ｍｏｔｏｒ Ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＬＣ ｕｓｅ ｏｐｅｎ—ｌｏｏｐ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｉｍｐｕｌｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗｈｅｎ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｒｔｉｎｇ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｓｍｏｏｔｈ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｅｘｐｌａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ｇｉｖｅｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣ ｍｏｔｏｒ ＰＬＣ ｓｏｆｔ．ｓｔａｒｔ ０ 引 言 在电力、化工、钢铁、铸造、塑料材料加工、环保、通讯等领域 广泛使用的备用蓄电池组动力中，均为直流电动机拖动系统。在 断电情况下为维持水冷却、油润滑油压，需要迅速投入备用电源。 此类电机的启动、运行稳定性和可靠性要求非常高，而在电机启 动时产生的冲击电流很容易造成电机的损坏，影响电机使用寿 命，因此直流电动机的起动方法也越来越受到人们的重视。本文 提出了一种基于ＰＬＣ控制的直流电动机软启动器的设计。 （１）电枢回路串接变阻器启动。此方法在电枢回路中串接 入变阻器，通过增大启动时的电枢电阻来减小启动冲击电流，待 电动机转动起来即反电势Ｅ 建立起来后，再将电枢电阻值调回 实际电枢电阻Ｒ （或将变阻器直接旁路）。 （２）降压启动。降压启动时通过降低电动机的电枢端电压 ｕ来限制启动冲击电流。这种方法需要专用直流电源（即软启动 器）。启动时，电源电压由小增大，电动机转速以规定的加速度上 升，避免了大的冲击电流。本文中所设计的直流电动机软启动器 采用降压启动的方法来实现。 １直流电动机软启动的原理 直流电动机的启动过程可用其基本方程来解释 ｆＵ＝Ｅ。＋，ｄＲ ＋２△ ，，、 ２直流电动机软启动器的设计 直流电动 机软启动器的 【Ｅ。＝Ｃｅ ｎ ｌ 式中： 为电动机的电枢端电压；Ｅ 为电枢感应电动势； 为电 枢电流； 。为电枢回路电阻，包括电枢绕组和换向极绕组电阻； ２Ａ 为一对正、负电刷下的接触电压降；Ｃ 为电动势常数，由电 机的结构参数决定； 为每极磁通；ｎ为转速。 对于直流电动机而言，在未启动之前ｎ＝０，Ｅ ＝０，而Ｒ一般 很小，为零点几欧姆到一点几欧姆。当电动机直接接入电网并施 加额定电压时，由于机械惯性作用ｎ不突变，即加电压瞬间ｎ＝ ０，启动电流 为 ， 总原理框图如 图１所示。输 入为２２０ Ｖ直 流，主电路包 括滤波吸收环 节和ＩＧＢＴ模 块；负载为他 励直流电动 图１总原理框图 ｕ一２△ ， 、 机，通过从输入端并联一路电源给励磁供电；控制电路主要包括 ＰＬＣ控制器、驱动电路、开关电源、输出采样、人机交互界面等。 — ＿ 该电流很大，一般情况下能达到其额定电流的１Ｏ一２０倍。 过大的启动冲击电流对电动机是非常有害的。 直流电动机软启动技术在此基础上产生，通常软启动设计要 ２．１主电路设计 由于考虑到设备运行的稳定性和可靠性要求非常高，所以主 电路采用ＢＵＣＫ电路。ＢＵＣＫ电路具有稳定可靠、器件少、效率 高，输入输出电流连续的优点。图２中，ＣＫ为输入断路器，ＫＭ为 励磁接触器。为防止输人直流电源正、负反接，直流母线上串联 一求在保证启动时间的同时，使启动冲击电流在额定电流两倍范围 内。现在常用的软启动控制策略有以下两种。 个防反二极管Ｄｌ。ｃ１、Ｃ２组成滤波吸收环节，其中ｃ１为输入 直流滤波电容，ｃ２为ＩＧＢＴ高频吸收电容。由于实际所用的开关 收稿日期：２０１１—０４—２５ 管只是ＩＧＢＴ模块内部两个开关管中的一个，所以另一个管将由 Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ７７ 《电气自动化｝２ｏＨ年第３３卷第６期 设计实例 Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｄｅａｓ 控制脉冲将其 Ｄ３ 一直封锁，并且 －１ 将其反并联的聊 二极管用作主 ｉ嘉 电 电路续流二极 管，这样可提高 ！器件的一致性 Ｉ和利用率。 ２．２ 控制逻辑及算法 图２软启动器主电路 本软启动器主控器件为西门子ＰＬＣ控制器，选用的控制 ＣＰＵ型号为ｓ７—２２４ＸＰ，并扩展一块数字量输出模块ＥＭ２２２，采 用梯形图进行编程。ＣＰＵ除了具有常规的逻辑控制作用外，它还 产生ＰＷＭ信号通过驱动板控制ＩＧＢＴ的开通与关断；同时将输 出的电压、电流信号采样，通过ＭＰＩ通信的方式给人机界面显示。 软启动器的ＰＬＣ控制逻辑如图４所示。控制方式有远程与 本地控制两种，开机时先将励磁接触器ＫＭ闭合，电枢电压由程 序设定的一个初始值开始按启动控制曲线变化，直至达到全压输 出并保持（此时ＰＷＭ信号占空比为１）。运行中若有故障发生程 序将自动封锁ＰＷＭ，并有相应的故障报警与显示。故障或停机 时为防止反电势对开关管形成冲击，励磁接触器待开关管完全管 图４ ＰＬＣ逻辑控制图 断后延时１秒跳闸。 ２．３驱动电路 ～』ｇ 利用西门子Ｓ７—２２４ＸＰ自带的高速输入输出口１０．１（或１０． 驱动电路采用 。 ０）可实现ＰＷＭ输出功能，最高输出频率可达１００ ｋＨｚ。具体对 ＣＯＮＣＥＰＴ公司的 特殊状态寄存器ＳＭ７７（若选用１０．０则是ＳＭ６７）配置如图３所 ２ＳＦＯ１１５Ｔ系列驱动模 示：ＳＭ７７：１６＃Ｄ３。 块，２ＳＰ０１１５Ｔ装备了 ＳＭ７７配置好后，通过对周期控制字ＳＭＷ７８赋值可实现输出 Ｃ０ＮＣＥ 公司最新的 ＰＷＭ周期的控制，赋值量以ＳＭ７７．３中所配置的时基为单位（微秒 ＳＣＡＬＥ一２芯片组，这 或毫秒）。ＰＷＭ占空比由寄存器ＳＭＷ８０控制，通过直接赋值或调 是一款低成本的驱动 用函数的方式可实现对占空比变化的控制。如图６所示，在本软 核。ＳＣＡＬＥ一２芯片 启动器中ＳＭ７７：１６＃Ｄ３，周期ＳＭＷ７８＝１０００ｕｓ（开关频率ｌｋＨｚ）， 组是一套专门针对驱 占空比通过寻址ＶＷ４００３值而改变，ＰＬＳ为启动ＰＷＭ动作。 动器应用的专用集成 ＳＭ７７ ．０ ．】 ．２ ．３ ．４ ．５ ．６ ．７ 电路，的智能驱动器所需要 它包含了大部分 图Ｓ ＰＷＭ功能配置 ０ ｌ０ Ｉ１ ｌ０ ＰＷＭ 更细脉不更新 时基 同步 单段 选择 允许 更新 冲宽度脉冲数 为ＵＳ 更新 操作ＰＷＭ功能ＰＷＭ 图３特殊状态寄存器ＳＭ７７配置 若采用直接赋值的方法对ＰＷＭ占空比进行控制则占空比 将一直保持一个常数而不能变化，不能满足我们的输出要求。因 此程序中通过组建函数并调用的方法可实现对ＰＷＭ占空比的 任意变化控制。本设计中以二次函数Ｙ＝ａｘ ＋ ＋ｃ（ａ＞０，Ｃ＞ ０）为基础，通过对各项系数的调整来观察输出的变化与各项系数 问的关系，从而得到最优控制函数。ＰＷＭ占空比变化如图５所 示。二次函数编程如图７所示。 软启动器的设计目标是尽量减小冲击电流同时缩短启动时 间。启动时间按４ Ｓ进行估算，同时考虑ＰＬＣ程序的扫描时间对 控制产生的延时影响，初步可取二次函数为Ｙ＝２ｘ ＋２４ｘ＋４０，即 ＝１６．７时Ｙ＝１０００。实验中可通过调整系数来观察对输出的影响。 图６二次函数定义 ７８ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 设计实例 Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｄｅａｓ 《电气自动化｝２０１１年第３３卷第６期 大，二次函数的值 变化幅度越大，由 于ＰＬＣ采用循环 扫描的方式执行程 ｊ ａ 旱坶 甜．１Ｖ 序，变化幅度大就 …：● 意味着每周期增加 的占空比值就大， 因此图１Ｏ的电流 在启动增加时震荡 较大而启动时间较 ｔ：ｌｓ，格 短；图１１和图１２ 的启动时间分别为 图９ Ｙ＝２ｘ ＋５输出电压电流波形 ６ Ｓ和４ Ｓ，因为常 图７驱动电路内部框图 的功能。实际使用时通过给定电源和驱动脉冲信号便可自动控 数项对启动瞬间的 制ＩＧＢＴ的开通与关断，同时应用驱动模块自带的欠压、短路保护 冲击电流影响较 可实现对ＩＧＢＴ的有效保护。在本软启动器中，通过ＰＬＣ控制器 大，而对于启动过 产生封锁脉冲将ｃｈａｎｎｅｌ １一直封锁，只利用ｃｈａｎｎｅｌ ２对ＢＵＣＫ 程中的影响并不明 显，所以对比上述 一一—电路中的ＩＧＢＴ进行ＰＷＭ控制。具体内部框图如图７所示。 Ｉｕ ．１０电压Ⅱ０￣，格 两图可知，一次项 ３ 实验结果 ＿ 系数对于启动时间 ● 实验输入ＤＣ２２０Ｖ，输出接直流电动机负载，开关频率１ｋＨｚ。 影响很大，一次项 电动机参数如表１所示。实验时，通过改变二次函数各项系数得 ｔ：ｌ ｇ，格 系数越大，启动时 到输出电流Ｉ波形与输出电压波形。图８为ＰＷＭ占空比控制曲 间越短。 线为Ｙ＝０．３３ｘ ＋５时输出电压电流波形；图９为ＰＷＭ占空比控 图１０ Ｙ＝２ｘ ＋４ｘ＋３０输出电压电流波形 制曲线为Ｙ＝２ｘ ＋５时输出电压电流波形；图１０为ＰＷＭ占空比 ４结束语 本文分析了直 控制曲线为Ｙ＝２ｘ ＋４ ＋３Ｏ时输出电压电流波形；图１１为ＰＷＭ 占空比控制曲线为Ｙ＝２ｘ ＋２４ｘ＋４Ｏ时输出电压电流波形。 流电动机启动冲击 表１负载直流电动机参数 电流形成的原因，在 蕾翟２ 此基础上设计了一 种由ＰＬＣ控制器产 生ＰＷＭ信号的直流西 电动机软启动器。 碡 ｉ ｏｖ 由以上波形可分析出以下结果 通过分析和实验，推 电激Ｉ １６ｏｒ！牿 （１）常数项Ｃ与启动冲击电流的关系。对比上面四个波形 导出了本设计中的 ●‘ …｜ 可以看出，在额定输出电流为１８０ Ａ时，启动冲击电流依次为３０ 控・・＾Ｉ Ａ、３０ Ａ、１４０ Ａ、３３０ Ａ，因此二次函数的常数项Ｃ越大，启动时的 ＋ ＋４２４ｘ ０）＿ ．在保 ’ ｔ：１ ，措 冲击电流越大。这是由于启动瞬间电动机还未启动，还未建立反 证启动时间的前提 电动势Ｅ ，相当于二次函数常数项对应的启动电压直接加在了 下满足了启动冲击图１１ Ｙ＝２ｘ ＋２４ｘ＋４０输出电压电流波形 电枢上，所以常数 电流小于两倍额定电流的要求，实现了电动机的平滑软启动。本设 ＾： ｌＩｓ＾ ●：抛＾ 项Ｃ决定了启动 计对于各种直流电动机拖动场合具有良好的应用前景。 冲击电流的大小。 －■ 参考文献 （２）Ⅱ、ｂ与 ； ，Ｕ， ２００７：３９—４２．２０１—２０３． 启动时间的关系。 ［１］刘慧娟，张威．电机学与电力拖动基础［Ｍ］．北京：国防工业出版社，－ ＿ Ｉ ；…０， ． ［２］Ａ．Ｅ．Ｆｉｔｚｇｅｒａｌｄ，Ｃｈａｒｌｅｓ Ｋｉｎｇｓｌｅｙ Ｊｒ，Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｄ．Ｕｍａｎｓ（刘新正等译） 对比图９和图 一’：… ｌ 聃ｌ祭 ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４：２７０—２７５． １０，它们的启动时 ’ ＿ ＿： ： ● 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