基于PLC的电机软起动控制

摘要
交流异步电动机由于结构简单、维护方便、价格便宜，广泛地作为电气传动主要的原动力。

在电机的起动控制中，我们常用的有全压直接起动和降压起动两种方式。

近年来，由于变频及软起动技术的发展，解决了电机控制中存在的一些难题，特别是软起动技术在解决大、中容量的电机起动问题中有着卓越的功能，可以说是替代传统起动方式，是降压起动的一项新技术。

在直接起动方式下，起动电流是额定电流的4～7倍，起动转矩是额定转矩的0.5～1.5倍。

这些特点使得电动机带负载起动的能力下降，容易发生过载损坏。

同时过大的起动电流也会给供电电网带来很大的电流冲击，影响电网的其他用电设备的正常运行。

因此，为提高电动机与电网的运行质量，经常采用软起动器装置来改善电动机的起动性能。

在现场的实时监控时，PLC 往往有一些多余的输入和输出点可以利用，因此越来越多的工业控制系统采用PLC作为控制核心。

本文介绍一种基于PLC的电动机的软起动器的硬件和软件结构，这样就可以在原有的控制系统的基础上自行设计一个高性能的软起动器。

关键词：异步电动机，软起动器，电动机起动特性，PLC控制
Abstract
Ac induction motor is simple in structure, convenient in maintenance due, cheap price, widely as electrical transmission main driving force. Starting in motor control, we are full of direct starting and step-down start in two ways. In recent years, due to the frequency and soft starter, solve the technical development of motor control of some problems, particularly soft starter, in solving technical problems of motor starter capacity has excellent function, can say is to replace the traditional way, is starting a step-down start of new technology. In direct starting mode, starting current is rated current of the 4～7 times, starting torque is rated torque of 0.5～1.5 times. These characteristics make motor starting with load capacity, easy occurrence overload damage. While big starting current power grid will also give a current of electricity and other normal operation of the equipment. Therefore, in order to improve the quality of electric motors and operation, often use soft starter device to improve the performance of motor starter.
In the field of the real-time monitoring, PLC tend to have some extra input and output point can use, so more and more of the industrial control system, PLC as control core. This paper describes a method based on PLC motor soft starter of the hardware and software structure, which can in the original control system based on the design of a high-performance soft starter.
Key Words: induction motor，soft starter，motor starting characteristics，PLC control
目录
摘要 (I)
Abstract (II)
1 绪论 (1)
1.1 课程研究的目的意义 (1)
1.2 相关技术国内外研究现状 (1)
1.3 本文主要研究内容 (1)
2 电机软起动的基本原理及控制方案研究 (3)
2.1 异步电动机传统起动方式 (3)
2.1.1 直接起动 (3)
2.1.2 定子串电阻或电抗减压起动 (3)
2.1.3 星形-三角形转换减压起动 (3)
2.1.4 自耦变压器减压起动 (3)
2.2 异步电动机软起动方式 (4)
2.2.1 限流软起动 (4)
2.2.2 电压双斜坡软起动 (5)
2.2.3 突跳软起动 (5)
2.3 软起动技术的优点 (6)
2.4 三相异步电动机的等效电路 (7)
2.5 系统总体设计 (9)
2.5.1 电动机软起动原理分析 (9)
2.5.2 电动机软起动方式与控制策略 (10)
3 软起动控制器硬件设计 (12)
3.1 主电路的设计 (12)
3.2 控制电路硬件设计 (15)
3.2.1 主控制器的选择 (15)
3.2.2 信号检测电路设计 (16)
3.2.3 保护电路设计 (18)
3.3 触发电路设计 (19)
3.3.1 TC787逻辑电路 (19)
3.3.2 基于TC787模拟触发电路的工作原理 (20)
3.4 旁路控制回路设计 (21)
3.5 本质安全先导电路 (22)
4 软起动控制器软件设计 (23)
4.1 系统的主程序 (23)
4.1.1 系统初始化与自检 (23)
4.1.2 A/D采样控制程序 (25)
4.1.3 系统运行部分程序设计 (26)
4.2 模糊控制软起动程序设计 (26)
4.2.1 模糊PLC的程序设计 (26)
4.2.2 模糊控制限流起动程序设计 (29)
4.3 软件抗干扰 (30)
5 总结与展望 (31)
5.1 总结 (31)
5.2 展望 (31)
致谢 (32)
参考文献 (33)
附录英中翻译 (35)
1.1英文原文 (35)
1.2中文翻译 (41)
1 绪论
1.1 课程研究的目的意义
交流异步电机由于运行可靠、价格低廉等因素被广泛应用。

然而，在不采取任何起动保护措施的情况下，实施全压起动时，电动机的起动电流可达额定电流的4～7倍，并且电动机转速在很短时间内由零上升到额定转速。

此瞬间内过大的转矩冲击和过大的起动电流，不仅会使电动机严重发热，降低使用寿命，同时也会造成电网电压大幅度下降，影响其他用电设备的正常运行。

因此，当大功率的交流电动机起动，需采用专门的起动设备来完成起动工作。

为了解决电动机直接起动时电流过大问题，人们采用了各种降压起动方法。

比较传统而且应用较普遍的有自耦变压器降压起动、串电抗器起动、Y／△转换起动、延边三角形起动。

但它们只是缩短了大电流冲击的时间，并未从实质上解决问题，而且这些起动设备还存在一些固有的缺点，如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电控制、维修工作量大以及浪费能源等。

随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继研制出一系列电子软起动控制设备，用于交流电动机的起动控制。

与传统的交流电动机起动设备相比，电子式软起动器具有结构简单、无触点、无噪音、体积小、重量轻、起动电流及起动时间可控、起动过程平滑等优点，同时具备完善的电机保护功能。

电子软起动是通过控制晶闸管的导通角，使电动机端电压渐增，起动电流得到控制。

1.2 相关技术国内外研究现状
目前，国内的电动机软起动控制器还没有成熟的产品出现，国外如AB公司（美国）虽然有这种产品，但在国内市场的价格较高，不利于国内应用这种先进技术产品。

所以，国内急需开发具有自主知识产权并且性能先进的电动机软起动控制器。

国内的各企业、高校和科研单位也一直在进行着软起动系统的研制工作。

已有的产品多为单一功能或少功能的系统，具有较多集成功能的产品到目前为止仍没有出现。

1.3 本文主要研究内容
本课题目的在于研制基于PLC的交流电动机软起动控制器。

该控制器不仅
可以实现电动机的软起动过程，而且将实现电动机的多种保护功能。

并可降低对电网中运行设备的影响。

本课题研究的主要内容包括软起动控制器的工作原理、软起动控制器的硬件实现和软起动控制器算法及软件实现。

2 电机软起动的基本原理及控制方案研究
2.1 异步电动机传统起动方式
2.1.1 直接起动
直接起动就是将电动机的定子绕组直接加上额定电压起动，其起动电流虽大，但起动时间短，电流随转子转速增加很快减小，只要不过于频繁，不至于引起电动机过热，如果电源的容量又足够大，电源的额定电流远大于电动机的起动电流，也不会引起供电电压的明显下降，因此以上条件满足时，只要起动转矩满足要求，即可以采用直接起动。

2.1.2 定子串电阻或电抗减压起动
定子串电阻或电抗起动时，电动机通过起动电阻或起动电抗接至电源。

定子电流在起动电阻或起动电抗上产生电压降，使得电动机的定子电压降低，从而减小起动电流，起动后，用开关切除电阻或电抗。

由于电动机的起动电流正比与定子电压，而起动转矩正比于定子端电压的平方，起动时定子电压降低到额定电压的1/K，则起动转矩降低至原来的1/K2，因此该起动方式只能用于空载或轻载的情况。

定子串电阻方法起动主要用于低压小功率电动机，定子串电抗起动投资较大，主要用于高压大功率电动机。

2.1.3 星形-三角形转换减压起动
星形—三角形转换起动只适用于正常运行时为三角联结的电动机。

起动时，定子绕组先按星形联结，起动后再转换成三角形联结。

起动时，电动机首先在星形联结下减压起动，然后待转速上升到接近正常转速时，再换成三角联结，在额定电压下运行。

星形一角形转换减压起动与直接起动相比，电动机的定子线电压相同，相电压和相电流是直接起动时的1/3，起动电流、电源电流和起动转矩都只有直接起动的1/3。

其主要缺点是当起动从星形切换到三角形接法时，会出现较大的二次电流和转矩变动，易引起机械和电气应力，导致故障。

2.1.4 自耦变压器减压起动
自耦变压器起动既适用于正常运行时三角联结的电动机，也适用于星形联
结的电动机。

起动时，先通过三相自耦变压器将电动机定子电压降低，起动后再将自耦变压器切除，使电动机定子电压恢复到额定值。

设自耦变压器原副边降压比为KA，根据自耦变压器上的抽头不同，降压比KA就不同，不同的KA可以满足对不同的起动电流和起动转矩的要求。

与直接起动相比(定子绕组的联结方式相同)，自耦变压器起动的起动电流、定子电压减小至原来的KA倍，电源电流和起动转矩都减小到原来的KA2倍。

自耦变压器的变比在一定范围内可调，但是其有限的输出电压变比级数，限制了理想起动电流的选择，并且自耦变压器的造价较高。

综合以上几种传统起动方式可知，它们都不能为电动机提供可以调节的平稳无级加速，无法适应特定的电动机软起动要求，起动电流和起动加速力矩的控制也无法达到特定值以下，不可能完全避免机械及电气冲击。

2.2 异步电动机软起动方式
目前的软起动器一般有以下几种起动方式：
2.2.1 限流软起动
限流软起动即在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值(Im)的软起动方法，如图2.1所示。

其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后再保持输出电流I＜Im的条件下逐渐升高电压，直到额定电压，使电动机转速逐渐升高，直到额定转速。

这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整起动电流限值(起动电流的限值必须根据电动机的起动转矩来设定，设置过小，将会使起动失败)，对电网影响小。

其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。

限流软起动一般适用于轻载或空载的起动，也适用于起动转矩随着转速的增大而增大的设备，如车床、冲床、风机及水泵等。

图2.1 限流软起动 2.2.2 电压双斜坡软起动
电压斜坡软起动即使输出电压由小到大按照斜坡线性上升，将传统的降压起动变有级为无级，主要用于重载起动。

它的缺点是起动转矩小，转矩特性呈抛物线型上升，对起动不利并且起动时间长，对电动机不利。

改进的方法是采用双斜坡起动，如图2.2所示，使输出电压先迅速升至U1，U1为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值，然后按设定的速率逐渐升高电压。

直到达到额定电压，初始电压及电压升高斜率可根据负载特性调整。

这种起动方法的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电动机。

图2.2 电压双斜坡软起动 2.2.3 突跳软起动
在起动的瞬间加以突跳，让晶闸管在极短的时间内大角度导通用以克服拖动系统的最大静摩擦力，然后回落，再按原设定的线性上升，进入恒流起动方式，如图2.3。

与转矩控制起动一样也是适用于重载起动的场合，所不同的是在起动
t U
I
t
的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。

但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，使用时应特别注意。

图2.3 突跳软起动
考虑到电压双斜坡软起动和突跳起动的局限性，本系统中采用限流软起动。

2.3 软起动技术的优点
软起动是电动机起动的一种新技术，完全取代Y/△起动、自藕变压器起动等传统起动器，广泛应用于工业各领域。

软起动器是微处理器和大功率晶闸管相结合的新技术，用微处理器控制晶闸管导通角，从而改变晶闸管的输出电压来达到降压起动的功能，软起动器在电动机控制的应用中有以下优点：
(1)提供灵活的起动方式及优越的起动特性
可提供软起动、带可选突跳起动的软起动、限流起动及双斜坡起动和全压起动等起动方式选择，用户可根据自身要求及系统电网要求来选择相应的起动方式并设置起动参数，以达到最佳的起动效果。

(2) 全功能保护系统
软起动器不仅能提供过载保护，而且可提供各种操作故障状态下的保护，诸如输入／输出缺相、电机堵转、晶闸管短路及失压、过压、短路等保护，其中内置的过载保护功能可省去热继电器，使配电柜内布线更加简单、迅速。

此外，不需增加任何传感器或仪表，可读取电机的运行参数，如：电流、电压、功率、千瓦时及运行时间等。

除了拥有强大的保护功能之外，软起动还具有故障自诊断功能，大大减少了以往故障查找与检修的时间，节省了人力。

(3) 节能运行
U1 U
t
随着电机负载率的变化，软起动自适应控制自动调整电机的转速，使电机运行功率因素相应提高，同时降低电机运行时的功率损耗。

对经常起动且负载变化频繁的电机，节能效果显著。

电机在负载到满载范围内的最高综合节电效果可达损耗的40％左右。

(4) 延长设备使用寿命，提高生产率
电动机的软起动能有效降低起动机械应力，减少对传动元件的机械冲击，在液流系统中能有效消除喘振或液击问题，提高设备利用率，提高生产效率。

2.4 三相异步电动机的等效电路
为了进一步研究三相异步电动机在起动和运行过程中，电压、电流、转矩等变量之间的关系，同时简化计算的复杂程度，很有必要进行三相异步电动机的简化分析。

这样就可以更容易理解软起动的控制过程。

下面就进行介绍异步电动机的简化电路。

三相异步电动机的定子电路和转子电路之间只有磁的联系，并无直接电的联系。

如果能用一个等效电路来代替它，则可使三相异步电动机的运行分析更加简单、方便。

经过频率和绕组折算，得到三相异步电动机的每相T 型等效电路如图2.4所示。

等效电路中Rs 为定子电阻，Xs 为定子漏电抗，Rr 为归算以后的转子电阻，Xr 为归算以后的转子漏电抗，Rm 为定子铁心损耗所对应的等效电阻，Xm 为励磁电抗。

图中的物理量Us 为定子电压向量，Es 为定子感应电动势向量，E R 为转子感应电动势向量，Is 为定子电流向量，Im 为磁化电流向量，I R 为转子电流向量。

图2.4 异步电动机的T 型等效电路
X /S
由于异步电动机的定子、转子之间有气隙存在，空载电流(流经励磁支路) 相对来说比较大，一般不可以忽略。

但是为了简化计算，可以把励磁支路移到等效电路的输入端，从而变成简化等效电路。

图2.5为三相异步电动机的简化等效电路。

当然，利用简化等效电路计算的结果会有一定的误差，但是对于一般容量不太小的异步电动机而言，这种误差是不大的，因此能满足工程上所要求的精度。

为了研究异步电动机的起动和运行时电压、电流、转矩等变量的关系，从三相异步电动机的运行状态和生产机械的负载转矩特性出发。

图2.5 异步电动机简化等效电路
由异步电动机简化等效电路可以求出三相异步电动机机械特性的数学表达式：
])()
[(2322
2
X
X R R R
U n T R
s r s r
s
p e S
f S
+++
=
π （2-1）
其中n P 为磁极对数，f 为电源频率。

起动时，转子转速为0，转差率s=l ，此时的机械特性表达式为：
]
)()[(232
2
2
X
X R R R U n T
R
s r s r
s p st
f +
++=
π （2-2）
因为电动机起动时，(Rs+Rr)+j(Xs+Xr)要比(Rm+jXm)小很多，所以简化等效电路的等效电阻抗为：
X /S
U S
22)()(X
X R R Z
R
s r s k
+++≈ （2-3）
可以求得异步电动机起动电流为：
()
2
2
)(X X R R U
Z
U I
R
s r s s
k
s st
+
++=
= （2-4）
由式(2-2)、式(2-4)可知，在转速或转差率一定时，起动转矩与定子两端电压Us 平方成正比，起动电流Ist 与定子两端电压Us 成正比。

同时电动机定子、转子漏抗在电动机起动时，由于定子、转子电流比额定电流大很多，使得漏磁路中的铁磁部分发生饱和，引起总的漏磁路磁阻变大，从而Xs 和X R 变小，Z K 变小，起动转矩Tst 与起动电流Ist 变大。

因此当电动机起动时，如果将电压直接加到定子两端，将产生极大的冲击转矩和冲击电流，对设备很不利。

所以采取降低定子两端电压的方法，但是起动电流按比例减小，起动转矩按平方减小。

软起动器就是根据该原理进行设计的，采用的是晶闸管交流调压电路，降低加在定子两端的电压，从而减小起动电流。

然后逐渐升高电压值，使异步电动机平稳起动。

2.5 系统总体设计
2.5.1 电动机软起动原理分析
起动是交流异步电动机的一种特殊运行状态，首先必须满足生产工艺的要求，同时还要使电动机能够合理运行。

对其起动性能的要求主要是：(1)具有足够大的起动转矩，以保证生产机械能够正常起动；(2)在保证一定大小的起动转矩的前提下，电动机的起动电流越小越好；(3)起动设备力求结构简单，操作方便；(4)起动过程的能量损耗越小越好。

2.5.1.1 软起动主回路选择
评价异步电动机的起动性能主要看它的起动转矩和起动电流。

一般都希望在起动电流比较小的情况下，能得到较大的起动转矩。

通过对电动机起动过程分析，其转矩近似与定子电压的平方成正比，电动机的定子电压又和电流成正比。

使得电动机的起动转矩和初始电流可以通过调节定子电压的控制方式来实现，可以满足不同的负载起动特性。

根据以上分析，在设计时采用晶闸管调压电路作为软起动主回路。

2.5.1.2 晶闸管调压电路原理
在交流供电电源和电机之间接入晶闸管调压电路。

把两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，通过改变晶闸管的导通角来达到改变电机两端电压的目的。

采用晶闸管电路调压有两种方式：一种是相控调压，即利用加到晶闸管的门极脉冲相位的改变来调整输出电压：另一种是斩波调压，即利用改变元件占空比来改变出端电压的有效值。

本系统采用的是晶闸管相控调压方式。

2.5.2 电动机软起动方式与控制策略
2.5.2.1 晶闸管交流调压软起动模式
晶闸管交流调压软起动拥有多种起动模式，其目的都是在满足负载转矩需求的前提下，降低起动电流，提供足够的加速转矩，实现带有负载的电动机平滑加速到额定值。

本系统采用限流软起动模式。

限流起动就是在电动机的起动过程中限制起动电流不超过某一设定值的软起动方式。

起动电流及起动时间均可在一定范围内预先调定。

当限制起动电流时，一般采用此方式。

它主要用于轻载起动的负载(或空载起动)。

其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值，然后在保持输出电流的条件下逐渐升高电压，直到额定电压，使电动机转速逐渐升高，直到额定转速。

该起动方式的优点是起动电流小，且可根据需要整定(起动电流限值必须根据电动机的起动转矩来设定，设定过小将会使起动失败或烧毁电动机)，对电网影响小等。

限流软起动控制模块内部模型如图2.6所示，输入的电流反馈信号和限流给定值iref通过加法器进行比较，电流偏差经过滞环比较(Relay),若反馈信号大于给定值，输出为0，反之则输出为1。

电压上升速率控制值uincr与滞环输出相乘后，通过积分环节，产生一个其值由0按上升斜率为其乘积值线性递增的信号，乘积值为0时，积分环节输出即保持原有值不变。

起动电压起始给定值uini和积分输出值比较，偏差经饱和环节(Saturation)限制输出值范围，送至输出端。

uini 和饱和输出范围的取值都表示触发角a的大小。

图2.6 限流软起动控制模块
2.5.2.2 限流起动原理与策略
(1) 限流起动原理
由异步电动机等效电路可知，起动时，s=1，Zm 较Z k 大很多，忽略励磁电流时，视Zm 开路，则
Is=-I R (2-5)
由式(2-1)可以推出起动转矩TST 与定子每相电流IST 的关系为：
T
N
T ST =⎥⎦
⎤⎢⎣⎡T T N ST 2
× S N (2-6)
式中
T N —为电动机的额定电磁转矩； I N —为异步电机的每相额定电流； S N —为异步电机的额定转差率。

通常电机的S N 很小，因此若要获得较大的T ST ，必须有较大的起动电流倍数。

限流起动时，若限流值较大，则此时电机的起动转矩T ST 也很大，因此电机达到稳定转速的时间就越短，起动就越迅速。

所以限流起动方式，为保证有一定的起动转矩的同时又防止电流冲击，限流值的大小要合理选取。

(2) 限流起动控制策略
限流起动时，要求控制电机起动时的电流为某一恒值，模糊控制器一直投入系统运行，自动调节，使起动前期的定子电流稳定在给定的电流值上起动，直到晶闸管完全导通，起动完毕，电流回复到稳定的额定值上。

3 软起动控制器硬件设计
本软起动器硬件结构整体框图见图3.1，采用晶闸管反并联构成三相交流调压主回路，以PLC及外围电路构成控制器系统，通过控制晶闸管的触发角，调节晶闸管的开通时间，从而调节输出电压，使得起动电流缓慢上升。

起动过程中引入电流负反馈控制，使起动电流按照一定的速度上升到设定值，从而实现电机平稳起动。

电流负反馈的作用还表现在如果一旦出现电压波动情况，这时就可以通过调节晶闸管的导通角来调整电机的端电压，保证起动电流稳定，进而保证电机正常起动。

而对于不同负载下电机的不同起动要求，可以无级调整起动电流设定值，改变电机的起动时间来达到最佳起动时间控制的目的。

3.1 系统硬件结构图
3.1 主电路的设计
软起动系统采用晶闸管调压原理完成软起动器的各项功能。

将六个反并联的晶闸管分别串联在Y接法的电机三相线圈上，主电路中每相都由两只晶闸管反并联构成，可控硅的导通角由移相触发电路控制，从而实现对电动机起动电流的限制。

因此本系统也采用此典型的调压电路，设计的控制系统主回路硬件电路
如图3.2所示。

其中所有晶闸管两端并联的开关K 是互锁的(同时关闭或打开)，开关工作情祝如下：
电机软起动开始时开关K 都处于断开状态，当起动完毕时所有的开关K 闭合，也就是说起动完毕后软起动器退出运行，软停机开始时开关K 又断开，软起动器又投入停机运行，如此重复。

实际系统中用微机控制的一个三相旁路接触器来实现开关K 的功能。

图3.2 主回路硬件电路
1. 晶闸管参数的选择
从主回路图中可知，晶闸管单元由6只单向晶闸管两两反向并联，串接于电动机的三相供电线路上。

通过调节晶闸管的触发角α，从而控制导通角θ，就可调节输出电压，从而控制电动机的起动运行过程，达到节能降耗的目的。

(1) 晶闸管额定电压选择
在选择晶闸管时，必须认真考虑其参数特性，由于晶闸管工作时可能会遇到过高的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，所选晶闸管应留有一定的功率裕量，其额定电压为正常电压峰值1.5～3倍。

电动机为660V 三相电动机，晶闸管的额定电压U R 由式（3-1）决定。

2799~13996602)3~5.1()3~5.1(=⨯⨯==U U
R R
V (3-1)
(2) 通态额定电流
K K
K
A 相
B 相
C 相 M。