浅谈工业企业通用设备电机的启动及控制设计

引言

在工业企业中,通用设备电机是一种应用量大、使用范围非常广的动力设备。工业企业生产过程中,对生产线上各种通用设备的电机进行启动及控制,是满足工艺流程和各种工艺设备正常工作的最基本条件。

随着电子电气技术的不断发展,电机控制系统从最简单的继电器控制,到pLC控制,再到DCs控制,直至发展到目前的人工智能控制,最终把电机与电子计算机系统、人工智能等结合在一起,通过包括软硬件在内的控制器,将电机及机械装置、电子设备元器件以及软件等有机结合起来,实现了工业企业全工艺流程的自动控制和智能控制。

电机启动及控制作为整个通用设备电机控制系统的一部分,如何经济合理、灵活可靠地配合整个控制系统,满足生产工艺对各通用设备的要求是本文主要探讨的内容。

1电机启动及控制方式

对于一些简单的电机启动及控制,设计时可以完全采用继电器对各电机进行联锁、启停等控制。在电子电气技术发展过程中,虽然仅靠继电器控制的系统应用越来越少,但在个别较简单的工艺生产或试验项目中,只要能满足工艺生产和流程要求,接线相对简单等,继电器控制方式仍完全可以被采用。

对于比较大型的工业企业或比较复杂的电机启动及控制,目前一般采用计算机控制系统。在设计电机启动及控制回路时,需要满足该计算机控制系统要求。计算机控制系统对电机的启动和控制,目前主要通过两种接线方式:硬接线方式和数据通信方式。

硬接线方式是电机控制回路通过硬线连接到计算机控制系统的各输入输出接口,计算机通过输出接点控制执行单元,比如接触器、软启动器等,并把电机运行状态,如接触器辅助触点、软启动器状态等传送给输入接点,然后由计算机系统实现对各电机的启动及控制。

硬接线方式有以下优点:(1）可靠性高,每一个接点均有单独的硬线连接到计算机控制系统的输入输出接口,即使有一个接点出现问题,也不会影响其他接点。(2）设备出现故障时,问题查找相对简单,维修方便直观。

硬接线方式也有以下缺点:(1）控制电缆较多,尤其是大量I/0点需要传输时,有很多电缆,施工量大,施工较慢,成本较高。(2）需要各种I/0接口硬件多,安装的I/0接口机柜多,控制室机柜间等占用面积大。

数据通信方式直接采用数据通信接口连接到计算机控制系统,所有控制信息和参数等均通过数据通信实现。

数据通信方式有以下优点:(1）数据通信量大,控制电缆少,电缆施工量少,施工较快,成本低。(2）可读取信息丰富,各I/0值、参数、中间变量值等信息都可传输。

数据通信方式也有以下缺点:(1）需要专门的通信接口,如果控制的电机较少,成本较高。(2）只有一根数据通信线,如果该通信线出现故障,将会导致系统中断,可靠性较低。(3）对维修人员技术要求高,出现问题时查找困难。如果是软件或信号干扰等问题,对一般维修人员来说,分析处理问题较难。

2电机的一次主回路和二次控制回路

电机的一次主回路主要包括短路保护电器(如断路器、熔断器）、接触器主触头、热继电器或智能马达控制器、变频器、软启动器等,通过对电机主电流回路开断控制,实现在正常情况下电机的启停操作和在故障状态下对电机进行保护。

二次控制回路是指对电机一次回路进行控制的设备元件等,是由主令电器的触头、接触器线圈及辅助触头、继电器线圈及触头、信号灯等组成。通过一次回路和二次回路的配合,可以实现电机启动、调速、制动、停止及联锁等运行控制。

在确定与计算机控制系统相连接的两种电机接线控制方式后,电机启动及控制回路可以根据所采用的接线控制方式,更合理地确定单台电机的一次主回路和二次控制回路的元器件选型。一般来说,硬接线方式可以选择较经济的电机一次主回路元器件,比如热继电器:数据通信方式宜选用带有通信接口的元器件,比如智能马达控制器。

目前市场上各种品牌的变频器和软启动器,一般都带有数据通信接口,可以直接通过数据总线等与计算机控制系统相连。

3电机启动方式

电机启动方式包括直接启动、降压启动、变频器启动等。下面简单介绍目前最常用的直接启动、降压启动及变频器启动的特点及应用。

3.1直接启动

直接启动是指电机全压启动。普通电机在全压启动时,启动电流会达到额定电流的5～7倍。当电机容量相对较大时,该启动电流将引起电网电压急剧下降,可能影响母线上其他用电设备的正常工作。电机全压启动时的大电流在定子线圈和转子上产生很大的冲击力,可能会对转子等造成损坏:大电流还会产生大量热,损伤绕组绝缘,减少电机寿命。

虽有上述缺点,但全压启动转矩大,启动时间短,接线简单:如果外部电网容量足够大,电机及机械设备能满足启动转矩的冲击需求,母线电压降不影响照明等其他设备的正常工作时,全压启动是最经济、可靠的一种启动方式。

3.2降压启动

降压启动有很多方式,包括软启动、Y-A启动、串联电抗器启动、水电阻启动等。本文主要介绍目前最常用的软启动器降压启动。

软启动器是在启动过程中按启动时间逐步调节可控硅的导通角以控制电压的变化。由于在一定范围内电压可连续调节,因此启动较平稳,启动完毕后,一般通过旁路接触器投入,电机进入全压运行。

低压软启动器目前市场价格比较合理,除建设经费特别紧张外,设计时一般考虑一台电机配一台软启动器(简称一拖一）,接线简单,主要工艺设备启动时相互独立,互不影响,可靠性、安全性较高:如果工艺流程允许的话,也可以考虑一拖二甚至一拖多。

高压电机软启动器价格稍高,对安全性和可靠性要求较高的工艺设备,一般应该考虑一拖一:如果建设经费比较紧张,考虑所启动的工艺设备和工艺流程允许的话,也可以考虑一拖二甚至于一拖多,但可靠性较差。

3.3变频器启动

变频器是应用变频技术与微电子技术,通过改变电机工作电源频率来控制交流电动机的电力控制设备。

变频器主要由整流、滤波、逆变(制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元等）组成。变频器靠内部1GBT的开断,调整输出电源的电压和频率,根据电机实际需要提供其所需要的电源电压和频率,进而达到平稳启动的目的。用于电机控制的变频器,既可以改变电压,又可以改变频率。

变频器启动主要适用于需要启动平稳和较大启动转矩的情况,可以完美实现软启动和软停车,并且可以无级调速。

4结语

通用设备电机的启动及控制设计,应从工艺设备要求出发,结合计算机控制系统要求,考虑使用维护方便、满足国家规范等各方面要求,在确保整个控制系统安全、可靠的前提下,应力求简单、经济,便于操作和维修。如何合理设计工业企业通用设备电机的启动及控制方式,是工业电气设计中的重要内容,包括启动及控制的可靠性、经济性、可操作维护性等。