基于PLC的雙速電機(jī)運行控制電路的改造

季鳴

（蘇州技師學(xué)院，江蘇蘇州，215000）

1 雙速電動機(jī)的工作原理

根據(jù)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式N=(1-s)60f/p可知，其中頻率f是固定的，電動機(jī)的磁極對數(shù)p與同步轉(zhuǎn)速n成反比。因此想要改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，則只要改變電動機(jī)的磁極對數(shù)。為了改變電動機(jī)的定子極數(shù)，其轉(zhuǎn)子極數(shù)也必須進(jìn)行改變。為了避免電動機(jī)轉(zhuǎn)子變極方式，常采用籠式轉(zhuǎn)子的電動機(jī)。因為其沒有固定的轉(zhuǎn)子極數(shù)，該電動機(jī)的極數(shù)不用改接，由定子磁極數(shù)確定。定子磁極數(shù)的改變可分為兩種方法，第一種是在制造過程中安裝兩種不同的獨立繞組，從而具有不同的磁極數(shù)，從制造成本的角度來講該方法不經(jīng)濟(jì)；第二種方法是采用改變繞組的連接方式來改變定子極數(shù)。定子繞組共有六個接線端，分別是 U1、V1、W1、U2、V2、W2。一種是將 U1、V1、W1三個接線端子接三相電源，而U2、V2、W2則懸空，此時其定子繞組按角型連接，這種方法的是將每個繞組中的線圈進(jìn)行相互串聯(lián)；如果將電動機(jī)定子繞組中U2、V2、W2三個接線端接到三相電源上，另外將U1、V1、W1三個接線端子短接，則電動機(jī)電子繞組的角型連接變成星型連接，此時是將每個接線繞組中的線圈進(jìn)行相互并聯(lián)。值得注意的是當(dāng)繞組變極后改變后的相序方向與原來的相序相反，為了保持低速與高速轉(zhuǎn)向相同，應(yīng)將電動機(jī)的兩個出線端對調(diào)從而確保轉(zhuǎn)向一致，如圖1所示。

圖1 變極調(diào)速定子繞組接線圖

2 雙速電動機(jī)的電氣控制電路

雙速電機(jī)運行控制電路如圖2所示，其工作原理：合上斷路器QS1引入三相電源。按下啟動按鈕SB2，交流接觸器KM1線圈回路通電并自鎖，KM1主觸頭閉合，為電動機(jī)引進(jìn)三相電源，L1接 W1，L2接 V1,L3接 U1; U2、V2、W2懸空。電動機(jī)在△接法下運行，此時電動機(jī)低速運行。若想轉(zhuǎn)為高速運行，則按下SB3按鈕，KA和KT1、KT2線圈得電，其中KA線圈得電其常開觸點閉合形成自鎖；KT2線圈得電其常閉延時觸點斷開，KM1線圈失電，KM1主觸頭斷開使U1、V1、W1與三相電源L1、L2、L3脫離。從而低速停止運行；KT1線圈得電其瞬時常開觸點閉合，通電延時常開觸點到達(dá)設(shè)定時間后閉合接通KM3線圈得電并自鎖，同時接通KM2線圈。主觸頭將定子繞組三個首端U1、V1、W1連接在一起，并把三相電源L1、L2、L3引入接U2、V2、W2，此時電動機(jī)在YY接法下運行，KM2的輔助常開觸點斷開，防KM1誤動。若直接按SB3按鈕，在KT1通電延時常開觸點到達(dá)設(shè)定時間前，可以按下SB2按鈕，可以實現(xiàn)低速點動運行，若一直按住SB2按鈕，依舊保持低速，但KT1通電延時觸點閉合，其KM2、KM3線圈得電，其兩者常閉點斷開，則電動機(jī)在YY接法下運行，此時電動機(jī)變成高速運行。按下停止按鈕SB1或發(fā)生過載時，電動機(jī)會立刻停止。

圖2 雙速電機(jī)運行控制電路

控制電路圖中在KM2線圈前串聯(lián)KM3的常開輔助觸點實現(xiàn)了KM2、KM3之間的順序控制，這樣接觸器KM3在的主觸點是在無負(fù)載的條件下進(jìn)行工作，可以延長接觸器KM3主觸點的使用壽命；在KT線圈前串聯(lián)KM2常閉輔助觸點，使得線圈KT在高速運行時斷電釋放，既減少該線圈的使用壽命也降低了必要的能耗，延長該電路整體的使用壽命。

圖2的控制電路具有如下保護(hù)措施：（1）具有雙重短路保護(hù)，第一重保護(hù)即為熔斷器分別實現(xiàn)控制電路的短路保護(hù)；第二重保護(hù)則是將KM1、KM2、KM3三個常閉觸點串聯(lián)在對應(yīng)的線圈回路中，使得三個線圈不能同時通電，從而使得主電路中的主觸點不能同時閉合而造成短路。（2）具有過載保護(hù)，把熱繼電器的元器件串接在電動機(jī)的主電路中，將熱繼電器的常閉觸點接在控制電路中，倘若電動機(jī)長期過載后，熱繼電器的金屬片受熱彎曲，從而使接觸器線圈斷開，從而使電動機(jī)發(fā)生過載時起到過載保護(hù)作用。（3）具有欠壓與失壓保護(hù)，若電源電壓低于額定電壓時，接觸器的電磁吸力不夠使得接觸器的銜鐵釋放，其常開觸點斷開從而使得電動機(jī)停止運行；當(dāng)線圈電壓正常時，接觸器線圈不能自動通電，必須按下SB2、SB3后才能重新啟動，從而可避免電壓正常時電動機(jī)突然運行所引起的事故。

3 PCL控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 PLC改造思路

用PLC對繼電器控制電路進(jìn)行改造主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，硬件設(shè)計主要是對原繼電器控制電路的工作原理進(jìn)行分析，確定PLC控制的輸入/輸出點，繪制新的硬件接線圖，并按照硬件接線圖完成接線；軟件設(shè)計主要是利用PLC編程軟件，根據(jù)控制要求編寫控制程序，并完成程序的下載及聯(lián)合調(diào)試與驗收等。根據(jù)上述改造方法運行三菱FX3U-48MR系列PLC對雙速電機(jī)運行控制電路進(jìn)行改造。

3.2 硬件設(shè)計

在采用PLC替代原來的雙速電機(jī)的繼電器控制系統(tǒng)時，應(yīng)注意PLC改造電路必須要弄清楚系統(tǒng)中輸入與輸出元器件，哪些元器件要保留哪些需要添加，這樣既可以減少其硬件接線，又可實現(xiàn)復(fù)雜的實現(xiàn)電路功能。

雙速電機(jī)控制系統(tǒng)PLC改造采用三菱FX3U-48MR系列PLC。本PLC控制系統(tǒng)的輸入信號/輸出信號各有24個。其中操作按鈕開關(guān)有5個，PLC輸出控制信號有6個，本PLC控制系統(tǒng)采用三菱FX3U-48MR系列PLC完全滿足操作需求，且有一定余量。

PLC的硬件接線中數(shù)字量輸入電路圖如圖3中PLC左側(cè)接線圖所示，其中包括停止按鈕SB1、低速啟動按鈕SB2、高速啟動按鈕SB3、急停按鈕SB4,熱繼電器常開按鈕FR1；PLC的硬件接線中數(shù)字量輸出電路圖如圖2右側(cè)接線圖所示，其中包括低速運行繼電器Y0、高速運行繼電器Y1、Y2，低速運行指示燈Y4、高速運行指示燈Y5、急停閃爍指示燈Y6，其閃爍頻率0.5HZ，10S 后 3HZ。

圖3 PLC硬件接線圖

3.3 軟件設(shè)計

在電路安裝過程中，保留原有繼電器控制主電路部分的線路，拆除控制部分線路[2]。線路安裝按照先主后輔的順序，而且一定要套線號。線路安裝完后用電阻法檢查是否有短路性故障。對控制要求進(jìn)行軟件設(shè)計，并將控制程序輸入PLC中，聯(lián)合調(diào)試與驗收其控制效果。程序設(shè)計包括連續(xù)低速運行、連續(xù)高速運行、低速轉(zhuǎn)高速、在高速未運行時可實現(xiàn)低速點動運行，低速、高速與急停指示燈按照要求顯示，其中急停指示燈閃爍頻率為0.5HZ，10S過后切換成3HZ。圖4是雙速電動機(jī)運行控制電路程序中急停運行指示燈的梯形圖。

圖4 急停運行指示燈的梯形圖

3.4 線路調(diào)試

軟件模擬調(diào)試：通過GX Works2軟件模擬改變按鈕的當(dāng)前值，觀察輸出繼電器狀態(tài)，對程序進(jìn)行模擬調(diào)試。更改X1狀態(tài)后立刻改回，Y0、Y4通電（X1狀態(tài)改回→Y0、Y4狀態(tài)不變）；更改X0狀態(tài)后立刻改回，Y0、Y4斷電；更改X1狀態(tài)后立刻改回，Y0、Y4通電，更改X2狀態(tài)后立刻改回，5s內(nèi)更改更改X1狀態(tài)后立刻改回，Y0、Y4通電后立刻失電，5s后Y1、Y2、Y5通電；更改X0狀態(tài)后立刻改回，Y1、Y2、Y5斷電，更改X1狀態(tài)后立刻改回，Y0、Y4通電后立刻斷電。

更改X3狀態(tài)，Y6得電頻率為0.5Hz，5次后切換為3Hz，改回X3狀態(tài)，Y6斷電。

更改X4狀態(tài)，所有輸出繼電器無法得電。

電路調(diào)試：接好線路后，暫不接電機(jī)，對電路進(jìn)行通電試驗，觀察PLC的I/0端口指示燈、低速運轉(zhuǎn)指示燈、高速運轉(zhuǎn)指示燈及急停指示燈的狀態(tài)。未操作時，I/0端口指示燈中X0、X3亮，其余均不亮。進(jìn)行以下操作：首先按下SB2，I/0端口指示燈中X1亮后滅，隨后I/0端口指示燈中Y0、Y4常亮，且H1常亮，KM1接觸器吸合；按下SB1，I/0端口指示燈中X0滅，I/0端口指示燈中Y0、Y4滅，且H1滅,KM1接觸器恢復(fù)原狀；其次按下SB2，I/0端口指示燈中X1亮后滅，隨后I/0端口指示燈中Y0、Y4常亮，且H1常亮，KM1接觸器吸合；按下SB3，I/0端口指示燈中X2亮后滅，I/0端口指示燈中Y0、Y4滅,KM1接觸器恢復(fù)原狀且H1滅，5s后I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5常亮，且H2常亮，KM2、KM3接觸器吸合；按下SB1，I/0端口指示燈中X0滅后亮，I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5滅，且H2滅, KM2、KM3接觸器恢復(fù)原狀。接著按下SB3,當(dāng)KT1未到達(dá)設(shè)定時間前，立刻按下SB2，I/0端口指示燈中X1亮，隨后I/0端口指示燈中Y0、Y4亮，且H1亮，KM1接觸器吸合；松開SB2，I/0端口指示燈中X1滅，I/0端口指示燈中Y0、Y4滅，KM1接觸器恢復(fù)原狀且H1滅；當(dāng)KT1到達(dá)設(shè)定時間后，5s后I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5常亮，且H2常亮，KM2、KM3接觸器吸合；按下SB1，I/0端口指示燈中X0滅后亮，I/0端口指示燈中Y1、Y2、Y5滅，且H2滅, KM2、KM3接觸器恢復(fù)原狀。最后按下SB4，I/0端口指示燈中X3滅，此刻所運轉(zhuǎn)的指示燈全滅，Y6亮且H3亮，閃爍頻率為0.5Hz，10s后切換為3Hz；松開SB4，I/0端口指示燈中X3亮，Y6滅、H3滅。

線路整體調(diào)試：控制電路調(diào)試無誤后，接通電機(jī)，進(jìn)行完整電路的通電試驗進(jìn)行以下操作，觀察電機(jī)運行狀態(tài)：按下SB2，電動機(jī)連續(xù)低速運行，且H1常亮，按下SB1，電動機(jī)停轉(zhuǎn)；按下SB2，電動機(jī)連續(xù)低速運行，且H1常亮；按下SB3，電動機(jī)立刻停轉(zhuǎn)，且H1滅，5s后電動機(jī)開始連續(xù)高速運行，且H2常亮；按下SB1，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，H2滅；立刻按下SB2，電動機(jī)開始低速運轉(zhuǎn)且H1亮，松開SB2，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，H1滅；電動機(jī)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，按下SB4，電動機(jī)停轉(zhuǎn)，運轉(zhuǎn)燈滅，且H3亮，閃爍頻率為0.5Hz，10s后切換為3Hz；松開SB4，H3滅。

4 結(jié)語

采用通電延時器與斷電延時器相結(jié)合的雙速電動機(jī)實現(xiàn)多種功能的控制要求，其圖1電路圖既可以節(jié)約能耗，又減少元器件的使用次數(shù)從而延長其使用壽命，是一種既節(jié)能又經(jīng)濟(jì)的雙速電動機(jī)運行控制電路。通過PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制要求，能夠?qū)崿F(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)不能實現(xiàn)的控制功能，控制任務(wù)改變時不需要改變線路，可利用軟件編程的方式對控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，充分體現(xiàn)PLC的“柔性”控制。