基于PLC和触摸屏控制的三相异步电动机星—— 三角降压启动控制系统的设计

商杰

（淄博市技师学院，山东 淄博 255000）

三相异步电动机应用广泛，其结构简单、维修方便、性能稳定。三相异步电动机常见的启动方式有全压启动和降压启动两种。由于全压启动的电路系统接线简单、经济快捷、维护方便，但全压启动对电动机的功率有一定的限制，适用于小功率电动机。大功率电动机采用全压启动会产生过大的电流，引起电网电压显著下降，影响电网内其它负载电气设备的正常使用。另外，电动机频繁启动产生的过大的电流会造成电机线圈温度聚生，影响线圈的绝缘效果，缩短电动机的使用寿命。设备启动时，需要高于工作载荷的扭矩，为了减小设备的起动电流，应采用适当的措施控制电动机在启动时的电流。降压启动是通过专门的启动设备或线路，降低启动电动机时电动机绕组两端的电压来降低启动电流。当电动机转速接近额定转速时，电动机电压恢复正常。由电动机转矩与定子绕组电压的关系可知，降压启动会影响电动机的启动转矩，比较适合设备空载启动或轻载启动。“星——三角形”降压启动是应用最广泛的降压启动方法，传统的电动机“星——三角形”控制系统是基于继电器——接触器控制，这种控制系统采用大量的低压电器，线路复杂、连线繁琐、可靠性差。本文提出采用编程控制器PLC和触摸屏控制方案，不仅能解决线路复杂和频繁启动的问题，而且抗干扰能力强、编程简单易学、操作直观、自动化程度高。

1 电动机星——三角启动

1.1 星——三角启动的原理

在三向异步电机启动时将电机定子绕组接成星形接线，当电机启动成功后将电机定子绕组改接成三角形接线，根据电机启动电流与电源电压的关系，电机启动时电网提供的电流只有全电压启动电流的1/3，因此，采用星——三角启动可降低启动电流，减轻电机启动时对电网的冲击。传统的星——三角启动的电气控制线路中，定子绕组的界限形式通过主电路的3个接触器KM1、KMY、KM△及继电器来实现：当KM1和KMY吸合时，定子绕组成星形接线；当KMY断开，KM1和KM△吸合时，电动机定子绕组接成三角形接线，从而实现了星——三角启动控制。星——三角启动属降压启动方式，它是以牺牲一部分功率来降低启动电流，一般在启动时电机负载轻、运行时电机负载重的情况下可采用星——三角启动。

1.2 基于继电器——接触器控制的星——三角启动存在的问题

继电器——接触器控制系统，是通过时间继电器来控制KM1、KMY及KM△这3个接触器的吸合和断开，从而实现电机定子绕组的不同接线形式。接触器和时间继电器属于低压电器，虽然成本较低，但由于低压电器固有的缺点，控制系统的可靠性很差，故障发生频率较高，查找和排除困难，当后期产品需要更新及生产工艺变化时，控制系统的变动工量会较大，费用比较高。

2 利用PLC和触摸屏控制三相异步电动机星—三角启动系统的设计过程

利用PLC控制的星——三角启动控制系统安全、可靠、稳定，比传统的基于继电器——接触器控制的星——三角启动有更大的优势。

（1）控制系统可靠性高，发生的故障率低。

（2）控制系统可采用梯形图编程，编程方便，简单易学。

（3）适应性强：采用PLC的控制系统适合大温差及湿度变化范围较大的工作环境；抗振动、抗冲击，抗干扰。

2.1 系统功能

（1）定子绕组星形——三角形接线切换功能：电源接通后，控制电动机定子绕组接成星形接线，实现降压功能。经过设定延时，控制电动机定子绕组接成三角形接线，电动机全压工作。

（2）联锁和延时保护功能。在星——三角降压起动的过程中，最重要的一环是要保证电机定子绕组从星形接线联结到三角形联结的顺利切换。如果由于接触器或其他电器元件发生故障，导致星形接线联结和三角形联结同时通电，电源会发生短路，损坏电动机或电网内其他设备。在PLC控制系统设计的过程中，一定要对此进行充分考虑。通常可采用梯形图中设计的互锁功能；在硬件接线中增加“硬件互锁”或通过程序命令对星形联结断电进行延时控制，达到设定时间后，再接通三角形联结。可以有效地避免电动机转子接线切换的过程中主电路发生短路故障。

（3）附加功能：诊断功能、报警功能、开机复位功能。

2.2 控制系统硬件设计及I/O 分配表

根据星——三角启动控制原理，确定系统的输入输出装置，设定对应的输入及输出触点，并制定I/O分配表，见表1所示。本系统“停止按钮”、“启动按钮”及“星型启动确认按钮”均采用触摸按钮，故输入端不再列出。

表1 电动机星—三角启动的I/O 分配表

根据I/O 分配表1画出控制系统的接线图，在安装板上完成主电路和控制电路的接线工作。

2.3 软件设计

可编程控制器PLC的编程语言包括：顺序功能图语言、梯形图语言、功能模块语言、指令表语言及结构化文本语言。梯形图编程语言是目前最常用的编程语言，参考电气操作原理图编制，与继电器线路类似，语言具有直观性和对应性，容易掌握，梯形图编程语言与原有的继电器控制最大的不同主要体现在，梯形图假想的“能流”和内部“软继电器”两个方面。梯形图左、右垂直公共线（母线）相当于系统电源的正负极，输入触点充当按钮。输出线圈可以认为是负载，能流从左母线经过触点与线圈向右母线流动，完成梯形图的一个阶级动作，多个阶级组成整个梯形图。本次的设计基于PLC的三相异步电动机星——三角降压启动控制系统，增加了三个重要的功能，保障系统的安全可靠运行。明确系统的各项控制要求，画出梯形图。

（1）KMY异常诊断功能。星型控制接触器KMY因异常未动作，电动机在启动后，延时10s后将全压启动。星——三角降压启动控制系统失去启动电流控制功能。为了防止这一故障发生，在控制系统增加1个星型控制接触器 KMY确认信号。此信号取自星型控制接触器 KMY的常开点触点X2。

（2）报警功能。电机定子绕组星型接线后，电动机可实现低压启动，在启动后20s内无法将定子绕组切换到三角形接法时，电机将不能进行全压运行，此时系统会产生报警信号。

（3）开机复位功能。如果系统没有开机复位功能，电网断电后重新上电，控制系统会产生误动作，因此，本控制系统利用特殊继电器可实现上电复位功能。

2.4 触摸屏画面设计与下载

本系统将触摸屏结合PLC进行系统控制，使控制更加形象、直观，操作更方便，节省操纵台上的开关数量及安装板上的外部接线，提高控制系统的可靠性和灵活性，实现对设备的控制和信息显示。根据三项异步电动机星——三角启动控制要求及I/O分配表，将电机的停止按钮和启动按钮均采用触摸键。利用三菱触摸屏编程软件GT-Designet3进行画面的编辑。分别设计“停止”及“启动”两个触摸按钮。完成画面编辑工作后，点击GT-Designet3软件的打开菜单栏中的“通信”，选择“跟GOT 的通信”对话框来实现编辑画面的下载。在标签卡中，点击“工程下载→GOT”。点击“基本画面”，找到需要下载的画面，并在名称前打勾，然后点击“下载”，就可以进行编辑画面的下载，在画面的下载过程中，不能移动GOT 通信并禁止关闭触屏电源。

2.5 系统运行调试

完成T形图编写及触摸屏画面编制的各项工作后，将进行程序调试，按触摸屏上的启动按钮，星形控制接触器KMY接通，内部定时器T1、T2 计时开始，程序设定T2计时到后，输出点Y1动作，主接触器KM1接通主电路，确保在通电前电动机定子绕组接成星形；程序设定T1计时到后，为防止主电路短路，Y3不能立即动作，系统设定使T3开始计时，1s后输出点Y3动作，三角形控制接触器 KMΔ接通，电动机定子绕组接线接成三角形，系统采用互锁的方法使星形断开，可靠的避免主电路短路。

3 结语

本文分析了电动机星——三角起动的必要性，并指出传统的继电器——接触器控制的星——三角启动存在的问题，针对这些问题设计了基于PLC和触摸屏控制的三相异步电动机星——三角降压启动控制系统。系统安全可靠，操作直观，接线简单，具有广阔的市场前景。