西門子三相交流異步電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉、體積較小、機(jī)械性能好、運(yùn)行維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。然而 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性卻一直不理想，眾所周知，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的起動(dòng)電流一般為額定電流3～7倍，高可達(dá)電動(dòng)機(jī)額定電流的8倍。這樣大的電流不僅加重了進(jìn)線、供電電網(wǎng)以及接在電動(dòng)機(jī)前面的開關(guān)電器的負(fù)荷，同時(shí)出現(xiàn)的大轉(zhuǎn)矩沖擊又會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)生猛烈的沖振，也給用作動(dòng)力傳輸?shù)妮o助設(shè)備和做功的機(jī)械設(shè)備帶來(lái)不可避免的機(jī)械沖擊口 。
三相高壓交流異步電機(jī)的起動(dòng)主要是通過(guò)在電源和電動(dòng)機(jī)之間串聯(lián)限流器件來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，以確保起動(dòng)過(guò)程中的安全性。起動(dòng)方式主要有有級(jí)降壓起動(dòng)和無(wú)極軟起動(dòng)兩類，前者對(duì)電壓的調(diào)節(jié)是分檔的，例如串電阻、串電抗等起動(dòng)；后者對(duì)電壓的調(diào)節(jié)是連續(xù)的，例如串反向晶閘管、串開關(guān)變壓器等起動(dòng)。此類軟起動(dòng)通常也稱為固態(tài)軟起動(dòng)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中晶閘管的觸發(fā)角控制導(dǎo)通問(wèn)題是決定此類軟起動(dòng)的成敗關(guān)鍵所在。
文中利用
西門子S7-200可編程邏輯控制器的靈活、實(shí)用、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、功能模塊化、使用方便等特點(diǎn)配合專門的三相移相觸發(fā)板解決軟起過(guò)程中晶閘管的觸發(fā)角控制導(dǎo)通問(wèn)題，以及應(yīng)用光纖觸發(fā)技術(shù)***解決高壓隔離問(wèn)題，從而有效實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的斜坡升壓軟起動(dòng)、斜坡恒流軟起動(dòng)、脈沖沖擊起動(dòng)等起動(dòng)方式，另外PLC還將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬量采集、從站通訊、人機(jī)界面互動(dòng)、邏輯控制等功能。
高壓固態(tài)軟起動(dòng)工作原理
高壓固態(tài)軟起動(dòng)主要由進(jìn)線接觸器、高壓可控硅串聯(lián)閥組和旁路接觸器組成，如圖2-1所示。其中高壓可控硅串聯(lián)閥組是功率變換執(zhí)行部件，由多只可控硅串并聯(lián)組成，并輔以吸收、均壓箝位電路，保證其在高壓環(huán)境中的可靠性。當(dāng)進(jìn)線端得電后，通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通角以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流三相電源進(jìn)行斬波，控制輸出電壓的幅值。并在起動(dòng)過(guò)程完成后將旁路接觸器閉合，軟起動(dòng)器切換到旁路狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉可控硅。
串反向晶閘管固態(tài)軟起動(dòng)一次圖
專業(yè)高壓固態(tài)軟起動(dòng)廠家設(shè)計(jì)基本上遵循將電量信號(hào)采集、系統(tǒng)控制、故障處理、脈沖觸發(fā)、電源等功能集成在一塊電路板上，例如2011市場(chǎng)上推出的一款高壓固態(tài)軟起動(dòng)，該裝置采用先進(jìn)DSP控制技術(shù)、電力電子技術(shù)、可控硅串并聯(lián)及光纖觸發(fā)技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行全面控制和綜合保護(hù)，與其它傳統(tǒng)的起動(dòng)方法相比較，其特有的智能控制方式，既可以方便準(zhǔn)確的設(shè)置起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流、起動(dòng)時(shí)間、停機(jī)時(shí)間等參數(shù)，又可以與微機(jī)、PLC等進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制。
高壓固態(tài)軟起動(dòng)控制部分主要由可控硅觸發(fā)、電量采集及處理（同步信號(hào)等）、策略計(jì)算、通訊、保護(hù)等功能組成。設(shè)想如果在設(shè)計(jì)的過(guò)程中將不同的功能使用現(xiàn)有市場(chǎng)成熟模塊化產(chǎn)品組合起來(lái)，整個(gè)只需通過(guò)簡(jiǎn)單的控制器將所有模塊進(jìn)行組合，協(xié)調(diào)模塊在系統(tǒng)中發(fā)揮自身的作用及特點(diǎn)，那樣該產(chǎn)品不僅研發(fā)周期將大大縮短，而且產(chǎn)品的性能及抗干擾能力也將有很大的提升，適合小團(tuán)隊(duì)短周期研發(fā)工作。
三相晶閘管移相觸發(fā)控制模塊
三相晶閘管移相觸發(fā)控制模塊如圖3-1所示：主要由電源、調(diào)節(jié)器、移相控制、脈沖形成、閉環(huán)PI 調(diào)節(jié)器、脈沖光信號(hào)輸出單元等組成�？蓸�(gòu)成具有恒壓或恒流輸出功能的三相調(diào)壓系統(tǒng)，該產(chǎn)品通用性強(qiáng)，工作可靠，脈沖對(duì)稱度高，抗干擾性強(qiáng)，支持光纖接口解決高壓隔離，接線簡(jiǎn)單，使用方便。
工作特點(diǎn)：
● 通用性強(qiáng)，可用于三相全控橋，半控橋，雙反星形晶閘管整流電路，三相晶閘管反并聯(lián)交流調(diào)壓電路（半控或全控），可接各類三角形接法或星形接法的阻性、容性、感性負(fù)載；
●移相觸發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)接口，方便與控制儀表的連接，控制信號(hào)可以是 0-10V 電壓信號(hào)，也可以是4-20mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào),既可手動(dòng)調(diào)節(jié)，又能自動(dòng)控制；
●有同步和相序自適應(yīng)電路，免去傳統(tǒng)可控硅電路認(rèn)定同步和相序的麻煩，使用與調(diào)試極其方便。同步信號(hào)輸入電壓是100V，無(wú)需外接電源；
● 觸發(fā)輸出：六路脈沖列觸發(fā)，內(nèi)置光纖發(fā)射模塊以及光纖輸出接口，功率≥6mW；觸發(fā)脈沖移相范圍：0-170o。
三相晶閘管控移相觸發(fā)控制模塊
應(yīng)用三相晶閘管控移相觸發(fā)模塊只需接入三相AC100V同步電壓信號(hào)、4-20mA/0-10V控制角給定信號(hào)、脈沖禁止/工作信號(hào)即可，其他功能可以有選擇的使用。
控制板上的光發(fā)送電路見圖，脈沖信號(hào)為脈沖發(fā)生器生成的觸發(fā)信號(hào)，HFBR-1414為光纖信號(hào)發(fā)送器。
光發(fā)送電路
觸發(fā)板的光接收放大電路如圖4-3所示，HFBR-1412為光纖信號(hào)接收器，輸出端直接接可控過(guò)G極。
光接收電路
觸發(fā)電路的取能
光纖僅能進(jìn)行高低壓信號(hào)隔離，無(wú)法傳遞可控硅觸發(fā)功率，還有一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題未解決，即：在光纖的接收端需要一個(gè)+5V的直流電源，這個(gè)電源的0端與晶閘管的陰極等電位，而陰極電位可能是幾千伏。雖然主電路的電壓可以很高，但要得到一個(gè)穩(wěn)定的5V直流電源并不容易，對(duì)此耦合取能是一個(gè)不錯(cuò)的方法。
圖下是一種供電采用恒流電源，恒流電源的輸入為低壓側(cè)提供的DC24V，輸出10A/300W，40KHZ高頻單匝電流環(huán)。通過(guò)10KV高壓電纜以電流互感器的方式的觸發(fā)板供能。每個(gè)脈發(fā)板的驅(qū)動(dòng)電源獲1/n的能量。
觸發(fā)電路取能單元示意圖
此種方式可以有效的解決觸發(fā)板上的+5V直流穩(wěn)壓電源問(wèn)題，其可靠性較高，可實(shí)施強(qiáng)。
PLC控制軟啟器的實(shí)現(xiàn)
在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域中, PLC因其強(qiáng)大的控制功能、豐富地運(yùn)算能力得到廣泛地應(yīng)用。相比較單片機(jī)而言, PLC在抗干擾能力和可靠運(yùn)行方面上, 有著很大的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)在高壓固態(tài)軟起動(dòng)設(shè)備中，PLC所需要完成的工作包括：邏輯處理及主回路控制、模擬量采集及處理、觸發(fā)角給定控制、從站通訊等。觸發(fā)角的給定方式?jīng)Q定了電機(jī)啟動(dòng)的模式，下面將以S7-200控制器為例列舉不同啟動(dòng)模式下的觸發(fā)角給定處理。
斜坡升壓軟啟動(dòng)
由于這種啟動(dòng)方式不具備電流閉環(huán)控制, PLC僅輸出調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角信號(hào), 該信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)間按一定的斜率增加。S7-200系列PLC內(nèi)部提供豐富的定時(shí)器功能, 可以利用階梯上升曲線的方式模擬斜坡曲線, 亦可利用PLC提供的積分功能, 使輸出信號(hào)按一定斜率輸出。這兩種方式均可實(shí)現(xiàn)斜坡信號(hào)輸出和斜率調(diào)整, 但相對(duì)積分器方式而言,階梯模擬方式可操作性強(qiáng)。
參數(shù)設(shè)置及從站通訊的實(shí)現(xiàn)
在使用西門子S7-200時(shí)，在不增加其它通訊接口模塊時(shí)HMI可以通訊PPI協(xié)議與S7-200直接通訊。只需通過(guò)HMI編程軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的組態(tài)即可完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)監(jiān)視、邏輯操作、事故記錄、自動(dòng)生成曲線圖、故障報(bào)警等功能。HMI相對(duì)于普通按鍵式顯示板具有畫面直觀、易操作、功能豐富、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
另外STEP7-Micor/WIN軟件提供基于MODBUS—RTU協(xié)議的主從站通訊庫(kù)。在PLC編程過(guò)程中只需調(diào)用Modbus Slave Port 0庫(kù)中MBUS_INIT指令（從站初始化）以及MBUS_SLAVE指令（請(qǐng)求服務(wù)相應(yīng)）如下圖所示：
S7-200從站通訊程序
在完成前面兩個(gè)指令調(diào)用后，還要為庫(kù)指令使用的符號(hào)分配內(nèi)存。當(dāng)庫(kù)指令被插入到主程序塊中，在導(dǎo)航樹“程序塊”下會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“庫(kù)”節(jié)點(diǎn)。在“庫(kù)”節(jié)點(diǎn)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇“庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)”，進(jìn)入“庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)分配”對(duì)話框。
由于S7-200通訊端口物理層使用的是RS-485通訊規(guī)范，因此我們需要在計(jì)算機(jī)端增加一個(gè)RS-485通訊端口，才能與計(jì)算機(jī)通訊建立通訊。如果計(jì)算機(jī)閑置的串口，我們可以選配一個(gè)RS-232轉(zhuǎn)RS-484轉(zhuǎn)換器即可；如果沒(méi)有閑置的串口，我們通過(guò)在計(jì)算機(jī)中增加一個(gè)RS-485通訊卡也可以；現(xiàn)在很多計(jì)算機(jī)都有USB口，我們也可以在計(jì)算機(jī)上外接一個(gè)USB轉(zhuǎn)RS-485轉(zhuǎn)換器，至此系統(tǒng)即可與上位機(jī)進(jìn)行通訊。
通過(guò)對(duì)軟啟動(dòng)器的分析, 以PLC為控制器的軟啟動(dòng)器能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的軟啟動(dòng), 還能方便的完成一臺(tái)軟起動(dòng)伺候多臺(tái)電機(jī)的起動(dòng)，并還能完成其他軟起動(dòng)應(yīng)該具備的功能，其啟動(dòng)方式多種多樣, 從而減少電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和減輕對(duì)設(shè)備的損害。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, 達(dá)到***佳的啟動(dòng)效果。
