基于PLC的三相异步电动机综合保护系统研究

屈海龙 崔玲玲

(三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027)

基于PLC的三相异步电动机综合保护系统研究

屈海龙 崔玲玲

(三一重型装备有限公司，辽宁 沈阳 110027)

介绍了以可编程序控制器(PLC)为核心的三相异步电动机综合保护系统的基本原理，并详细阐述了过电压、欠电压、缺相、过载等保护功能的硬件和软件实现方法。

PLC；三相异步电动机；综合保护

0 引言

在工业企业、农业、科学试验及日常生活中，异步电动机的使用非常广泛，这是因为异步电动机与其他类型的电动机相比，有着构造简单、运行可靠、价格低廉等许多优点。传统的电动机保护系统主要是由熔断器、断路器和热过载继电器等组成保护电路，这种传统的保护方式虽然比较简单，价格也较低，但却存在着保护精度不高、可靠性低、接线复杂等缺点。

PLC是一种新型的通用自动控制装置，具有可靠性高、体积小、编程简单、维护方便等一系列优点，因此在工业生产中的应用日益广泛。这里使用EPEC系列2024型可编程序控制器，并辅以各种传感器和接触器，共同实现了对三相鼠笼型异步电动机的过电压、欠电压、缺相、过载等保护功能，其比基于传统电气保护元件的保护方式更加灵敏、可靠、简单。

1 主回路、PLC控制回路及电动机启停控制的实现

如图1和图2所示，主回路由QF1(塑壳断路器)、FU1～FU3(熔断器)、KM1(真空接触器)、QF2(漏电断路器)组成，PLC控制回路由PLC控制器、显示器、稳压电源、FU4～FU6(熔断器)、TV1(电压传感器)、TA1～TA3(电流传感器)、SBes1(急停按钮)、SB1(电动机启动按钮)、SB2(电动机停止按钮)、KC1(中间继电器)、HL1(指示灯)组成。

图1 电动机控制主回路

图2 PLC控制回路

电动机启动控制：按下SB1电动机启动按钮，PLC接收到启动信号后，由软件进行逻辑控制，实现自锁功能，并输出一个开关量信号给中间继电器KC1线圈，KC1常开触点闭合，真空接触器KM1线圈得电，主触点闭合，电动机得电启动。

电动机停止控制：按下SB2电动机停止按钮，PLC接收到停止信号后，由软件进行逻辑控制，解除自锁，并断开给中间继电器KC1的开关量信号，KC1线圈失电，常开触点断开，真空接触器KM1线圈失电，主触点断开，电动机断电停止。

电动机启停逻辑控制软件使用梯形图编写，如图3所示。

图3 电动机启停逻辑控制

2 过电压和欠电压保护功能的实现

使用电压传感器实时监测主回路电压，并将电压信号转换为4～20 mA的模拟信号传输给PLC控制器，由控制器进行解析，并判断是否存在过电压和欠电压现象，如果存在上述问题，则将电动机故障信号置为TRUE，切断电动机启动输出信号使电动机停止工作，同时将故障信息通过CAN总线发送给显示器显示出来，提示操作人员。电压传感器信号的解析使用公式：

式中，U为经过解析的电压返回值(V)；UTVD为电压传感器信号的数字量换算值；UTVL为电压传感器的量程(V)。

数据计算和处理软件如图4所示。

图4 电压信号解析

过电压和欠电压的标准设为额定电压的115%和75%，故障判断软件如图5所示。

图5 故障判断

3 缺相保护功能的实现

利用电流传感器实时监测电动机三相电流值，根据现场经验，当某一相的电流值低于额定电流值的10%时，即可判断该相缺相。

由于电流传感器使用的是和电压传感器一样的4～20 mA的模拟信号，所以对于电流传感器信号的处理可以调用电压信号解析程序，其缺相判断软件如图6所示。

图6 缺相判断

4 过载保护功能的实现

电动机过载保护时间的确定依据反时限保护曲线：

式中，t为保护时间(s)；k为保护曲线系数，可以根据实际需要任意取值；KI为电流过载倍数。

当保护曲线系数k=10时，曲线如图7所示。

图7 系数k=10时的反时限保护曲线

软件设计如图8所示，当实际电流达到额定电流的5倍以上时被认为是严重的过流现象，需要马上停机，所以在程序中，将大于5倍额定电流的保护时间定义成0，达到瞬断保护的目的。因为电动机启动的瞬间电流是额定电流的5～7倍，所以在电动机启动时需要增加一个适当的延时，来躲避启动电流峰值，避免误动作，由于实现简单，这里就不再阐述。

图8 过载保护软件设计

5 结语

本文给出了实现三相异步电动机启动、停止控制和过载、缺相保护功能的PLC输入/输出接线图和相关控制程序。当然，实现这些功能的控制程序并不是唯一的，只要能满足控制和保护的要求，还可以有其他多种不同的逻辑控制方案。目前，PLC已经被大量使用在工程机械等领域，并成为电气工程师设计电气控制和保护方案时的首选元件。相信随着相关技术的进一步发展，PLC必定会从多个方面逐渐融入我们的日常生活。

[1]冯欣南.电动机学[M].北京：机械工业出版社，1985

[2]杨宗豹.电动机拖动基础[M].北京：冶金工业出版社，1987

[3]邱阿瑞，孙旭东.实用电动机控制[M].北京：人民邮电出版社，1998

[4]林晓峰.可编程序控制器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，1991

[5]张立娟，闫巧枝.基于PLC的平煤四矿钢缆输送带控制系统选型设计[J].煤矿机械，2012(8)

2014-06-09

屈海龙(1983—)，男，辽宁抚顺人，助理工程师，从事掘进机电气系统设计工作。