崔忠華

隨著液壓傳動(dòng)在軋機(jī)機(jī)組中的廣泛應(yīng)用，液壓站中的工作泵電機(jī)呈現(xiàn)出臺(tái)數(shù)增多，功率加大的趨勢(shì)。而由于電力系統(tǒng)容量有限，在MCC（電動(dòng)機(jī)控制中心）系統(tǒng)中，一般不允許超過(guò)55 kW或75 kW的電機(jī)采用直接啟動(dòng)方式。這些電機(jī)可以采用星角降壓?jiǎn)?dòng)方式，但在啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生二次沖擊。

隨著現(xiàn)代變流技術(shù)的迅猛發(fā)展，由大功率晶閘管構(gòu)成的軟啟動(dòng)器在恒速電機(jī)啟動(dòng)中日益成為主流。目前大功率恒速電機(jī)多采用一對(duì)一軟啟動(dòng)的傳統(tǒng)方式配置，線路簡(jiǎn)單，節(jié)能效果明顯，但也存在成本較高，控制柜體占地面積較大等問(wèn)題。對(duì)此，本文針對(duì)液壓站工作泵的運(yùn)行特性設(shè)計(jì)出基于PLC和軟啟動(dòng)器的一拖多控制回路，以實(shí)現(xiàn)降本增效并增強(qiáng)系統(tǒng)可維護(hù)性的目的。

1 主回路部分

在基于軟啟動(dòng)器的一拖三回路動(dòng)力部分中（見(jiàn)圖1），通過(guò)1KM1，2KM1和3KM1的依次閉合，可實(shí)現(xiàn)液壓泵的逐個(gè)啟動(dòng)，使油箱達(dá)到設(shè)定壓力后，液壓系統(tǒng)投入工作狀態(tài)。在軟啟動(dòng)器的晶閘管完全導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)已處于全壓工作狀態(tài)，為避免電網(wǎng)突然過(guò)壓、過(guò)流等故障對(duì)晶閘管造成損壞，通過(guò)1KM2，2KM2和3KM2將軟啟動(dòng)器旁路，使電機(jī)直接與電網(wǎng)連接。

圖1 軟啟動(dòng)器一拖三動(dòng)力回路

主回路中的1KM1，2KM1，3KM1是軟啟動(dòng)器控制回路所特有的接觸器，用作啟動(dòng)控制接觸器。1KM2，2KM2，3KM2及各自上口的斷路器和下口的熱繼電器，是電機(jī)直接啟動(dòng)控制回路的一般形式，在本系統(tǒng)中，做為旁路接觸器在電機(jī)完成啟動(dòng)進(jìn)入全壓運(yùn)行時(shí)投入。軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)完成后，與電機(jī)處于脫離狀態(tài)，由1FR，2FR，3FR實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的過(guò)載保護(hù)。

1.1 協(xié)調(diào)配合

針對(duì)電機(jī)控制和保護(hù)器件在出現(xiàn)負(fù)載端短路故障時(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)，IEC（國(guó)際電氣委員會(huì)）規(guī)定了兩種協(xié)調(diào)配合方式：1型和2型[1]。1型協(xié)調(diào)配合規(guī)定，電機(jī)控制器件在出現(xiàn)短路故障時(shí)，不應(yīng)對(duì)操作人員造成傷害，但允許器件本身在不更換部件和進(jìn)行維護(hù)的情況下不再具備使用條件。2型協(xié)調(diào)配合規(guī)定，電機(jī)控制器件在出現(xiàn)短路故障時(shí)，不應(yīng)對(duì)操作人員造成傷害，同時(shí)器件本身在不更換部件和進(jìn)行維護(hù)的情況下應(yīng)當(dāng)具備繼續(xù)使用的條件。在系統(tǒng)選型時(shí)，若按1型配合，雖可節(jié)省成本，但會(huì)增加后續(xù)的維護(hù)費(fèi)用；按2型配合，盡管會(huì)增加一定的投入成本，但可以保障系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行。因此在系統(tǒng)選型中，一般應(yīng)遵循2型協(xié)調(diào)配合。

1.2 快熔的選擇

快熔又稱半導(dǎo)體熔斷器，是電力電子裝置中不可或缺的器件。為實(shí)現(xiàn)對(duì)軟啟動(dòng)器的有效保護(hù)，在QF斷路器之后，應(yīng)設(shè)置快熔FU，以滿足2型協(xié)調(diào)配合要求?？烊鄣念~定電壓Un應(yīng)略高于電網(wǎng)電壓Uac，電網(wǎng)額定電壓為380 V，而快熔的額定電壓一般應(yīng)選500 V。快熔的熔斷I2t是快熔的重要參數(shù)，它反映了在下列條件下器件的熔斷能量的積分值。

（1） 1.1Un=550 V。

（2） 預(yù)期短路電流Ics一般為100 kA。

（3） 功率因數(shù) cosφ=0.15。

快熔的熔斷I2t遠(yuǎn)小于同電流等級(jí)斷路器的分?jǐn)郔2t，可以有效地保護(hù)晶閘管等功率電子元件，在電機(jī)啟動(dòng)器中可實(shí)現(xiàn)IEC規(guī)定的2型協(xié)調(diào)配合；否則最多只能實(shí)現(xiàn)1型協(xié)調(diào)配合，而這種配合，在系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障后將無(wú)法保障系統(tǒng)繼續(xù)使用。

1.3 軟啟動(dòng)器的選擇

圖2 限流啟動(dòng)特性

限流啟動(dòng)模式是風(fēng)機(jī)泵類(lèi)負(fù)載的優(yōu)選啟動(dòng)方式，啟動(dòng)時(shí)電壓從零迅速增加，直至輸出電流達(dá)到設(shè)定的電流幅值Im（見(jiàn)圖2），然后在保證輸出電流不大于Im的情況下，電壓逐漸上升，電機(jī)逐漸加速至額定轉(zhuǎn)速。在啟動(dòng)過(guò)程中，電流達(dá)到Im時(shí)，輸出電壓會(huì)保持穩(wěn)定，直到電流下降到Im以下，升壓過(guò)程才會(huì)繼續(xù)。

2 控制回路及控制時(shí)序

由于本系統(tǒng)采用PLC控制，通過(guò)重復(fù)使用PLC中的“軟觸點(diǎn)”，使連線均采用“軟接線”，大大減少了短路及斷路故障，控制回路清晰，升級(jí)方便。通過(guò)PLC中靈活的定時(shí)器設(shè)計(jì)，可以順利完成各電機(jī)啟動(dòng)回路切換，且修改定時(shí)時(shí)間非常方便，便于調(diào)試。

2.1 軟啟控制回路

在添加或減少所拖動(dòng)的電機(jī)數(shù)量時(shí)，PLC與軟啟動(dòng)器間的接線不變，只需改變程序即可。二次回路中，PLC與接觸器的連接較簡(jiǎn)單，在此略去。PLC只需通過(guò)3根硬接線即可完成對(duì)軟啟動(dòng)器的控制（見(jiàn)圖3）。

圖3 軟啟動(dòng)器一拖三控制回路

通過(guò)安裝于液壓站旁的操作箱或者從操作員站均可發(fā)出電機(jī)啟動(dòng)命令，PLC接到此信號(hào)后，啟動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)。在電機(jī)啟動(dòng)完成后，軟啟動(dòng)器會(huì)發(fā)出旁路 (Bypass)信號(hào)，此信號(hào)反映了軟啟中的晶閘管已完全導(dǎo)通，即電壓斜坡已到頂，通知PLC切換至旁路接觸器，進(jìn)入全壓運(yùn)行階段，從而完成電機(jī)啟動(dòng)。

2.2 脈沖控制方式

軟啟動(dòng)器的運(yùn)行 (RUN)和停機(jī) (STOP)邏輯輸入有2線控制和3線控制兩種方式。一般通過(guò)硬接線來(lái)選擇啟停的邏輯輸入。2線控制時(shí)，將RUN和STOP端子短接，采用電平控制方式，即高電平運(yùn)行，低電平停機(jī)。在主電路上電后，RUN端檢測(cè)到高電平，軟啟動(dòng)器直接啟動(dòng)。在故障手動(dòng)復(fù)位時(shí)，RUN端檢測(cè)到高電平后，軟啟動(dòng)器重新啟動(dòng)。在軟啟故障時(shí)，除了使用自帶的鍵盤(pán)復(fù)位外，還可以發(fā)送復(fù)位脈沖來(lái)遠(yuǎn)程復(fù)位。采用3線控制方式時(shí)，RUN和STOP端子由2個(gè)不同邏輯輸入端控制，斷開(kāi)STOP輸入，軟啟停機(jī)；給RUN端施加一個(gè)脈沖，軟啟開(kāi)機(jī)。在上電或故障復(fù)位后或者在一個(gè)停機(jī)命令之后，需要給RUN端重新施加脈沖，軟啟進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。為防止電機(jī)意外啟動(dòng)，提高系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)采用以脈沖輸入啟停信號(hào)的3線控制方式。

2.3 地址分配

通過(guò)PLC控制軟啟動(dòng)器，需要先設(shè)置系統(tǒng)的輸入輸出地址，地址的設(shè)置較為靈活（見(jiàn)表1和表2）。

2.4 控制時(shí)序

用單個(gè)軟啟動(dòng)器對(duì)3個(gè)液壓泵電機(jī)進(jìn)行軟啟動(dòng)的控制時(shí)序，反映了系統(tǒng)各個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)（見(jiàn)圖4）。時(shí)序圖中UM1，UM2，UM3分別表示級(jí)聯(lián)在軟啟控制回路中的3個(gè)液壓泵電機(jī)的定子繞組電壓。

表1 輸入地址分配

在PLC收到現(xiàn)場(chǎng)操作箱或者通過(guò)操作員站發(fā)出的啟動(dòng)命令后，首先通過(guò)數(shù)字量輸出點(diǎn)Q2.1閉合1KM1的主觸點(diǎn)，使1#泵電機(jī)接入軟啟動(dòng)器輸出端，進(jìn)入啟動(dòng)準(zhǔn)備狀態(tài)。之后通過(guò)Q2.0發(fā)出軟啟動(dòng)器開(kāi)機(jī)脈沖信號(hào)，使1#泵進(jìn)入軟啟動(dòng)狀態(tài)。啟動(dòng)完成后，電機(jī)定子上獲得電網(wǎng)電壓，軟啟動(dòng)器發(fā)出電壓斜坡到頂信號(hào)到PLC的數(shù)字量輸入點(diǎn)I2.0，提示可以切至旁路。為避免切換過(guò)程中的二次電流沖擊，通過(guò)Q2.4閉合2KM1的主觸點(diǎn)使1#泵旁路，經(jīng)過(guò)短暫延時(shí)后，再斷開(kāi)1KM1，從而完成1#泵的啟動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)Q2.7發(fā)出停機(jī)脈沖后，軟啟動(dòng)器又進(jìn)入啟動(dòng)下一個(gè)電機(jī)的準(zhǔn)備狀態(tài)。

表2 輸出地址分配

圖4 控制時(shí)序圖

3 結(jié)語(yǔ)

采用軟啟動(dòng)器可消除液壓泵電機(jī)啟停過(guò)程中的液流沖擊和電流沖擊，而采用PLC邏輯控制系統(tǒng)則能簡(jiǎn)化控制回路，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)序控制，滿足液壓泵站的控制要求。軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)模式可依據(jù)負(fù)載的性質(zhì)靈活設(shè)置，從而減少電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊并減輕對(duì)設(shè)備的損害。而PLC提供的強(qiáng)大的語(yǔ)言編程指令可以完成多種控制功能，以達(dá)到最佳的啟動(dòng)效果。本文通過(guò)一拖多的回路設(shè)計(jì)，不僅減少軟啟動(dòng)器投資，減小電氣柜體尺寸和數(shù)量，而且降低能耗和設(shè)備故障發(fā)生率。

[1]IEC 60947-4-1.Low voltage switchgear and controlgear.