淺談工業(yè)企業(yè)通用設(shè)備電機(jī)的啟動(dòng)及控制設(shè)計(jì)

引言

在工業(yè)企業(yè)中,通用設(shè)備電機(jī)是一種應(yīng)用量大、使用范圍非常廣的動(dòng)力設(shè)備。工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)上各種通用設(shè)備的電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)及控制,是滿(mǎn)足工藝流程和各種工藝設(shè)備正常工作的最基本條件。

隨著電子電氣技術(shù)的不斷發(fā)展,電機(jī)控制系統(tǒng)從最簡(jiǎn)單的繼電器控制,到pLC控制,再到DCs控制,直至發(fā)展到目前的人工智能控制,最終把電機(jī)與電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、人工智能等結(jié)合在一起,通過(guò)包括軟硬件在內(nèi)的控制器,將電機(jī)及機(jī)械裝置、電子設(shè)備元器件以及軟件等有機(jī)結(jié)合起來(lái),實(shí)現(xiàn)了工業(yè)企業(yè)全工藝流程的自動(dòng)控制和智能控制。

電機(jī)啟動(dòng)及控制作為整個(gè)通用設(shè)備電機(jī)控制系統(tǒng)的一部分,如何經(jīng)濟(jì)合理、靈活可靠地配合整個(gè)控制系統(tǒng),滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝對(duì)各通用設(shè)備的要求是本文主要探討的內(nèi)容。

1電機(jī)啟動(dòng)及控制方式

對(duì)于一些簡(jiǎn)單的電機(jī)啟動(dòng)及控制,設(shè)計(jì)時(shí)可以完全采用繼電器對(duì)各電機(jī)進(jìn)行聯(lián)鎖、啟停等控制。在電子電氣技術(shù)發(fā)展過(guò)程中,雖然僅靠繼電器控制的系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越少,但在個(gè)別較簡(jiǎn)單的工藝生產(chǎn)或試驗(yàn)項(xiàng)目中,只要能滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)和流程要求,接線(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單等,繼電器控制方式仍完全可以被采用。

對(duì)于比較大型的工業(yè)企業(yè)或比較復(fù)雜的電機(jī)啟動(dòng)及控制,目前一般采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)電機(jī)啟動(dòng)及控制回路時(shí),需要滿(mǎn)足該計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)和控制,目前主要通過(guò)兩種接線(xiàn)方式:硬接線(xiàn)方式和數(shù)據(jù)通信方式。

硬接線(xiàn)方式是電機(jī)控制回路通過(guò)硬線(xiàn)連接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的各輸入輸出接口,計(jì)算機(jī)通過(guò)輸出接點(diǎn)控制執(zhí)行單元,比如接觸器、軟啟動(dòng)器等,并把電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),如接觸器輔助觸點(diǎn)、軟啟動(dòng)器狀態(tài)等傳送給輸入接點(diǎn),然后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各電機(jī)的啟動(dòng)及控制。

硬接線(xiàn)方式有以下優(yōu)點(diǎn):(1）可靠性高,每一個(gè)接點(diǎn)均有單獨(dú)的硬線(xiàn)連接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出接口,即使有一個(gè)接點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題,也不會(huì)影響其他接點(diǎn)。(2）設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí),問(wèn)題查找相對(duì)簡(jiǎn)單,維修方便直觀(guān)。

硬接線(xiàn)方式也有以下缺點(diǎn):(1）控制電纜較多,尤其是大量I/0點(diǎn)需要傳輸時(shí),有很多電纜,施工量大,施工較慢,成本較高。(2）需要各種I/0接口硬件多,安裝的I/0接口機(jī)柜多,控制室機(jī)柜間等占用面積大。

數(shù)據(jù)通信方式直接采用數(shù)據(jù)通信接口連接到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),所有控制信息和參數(shù)等均通過(guò)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)通信方式有以下優(yōu)點(diǎn):(1）數(shù)據(jù)通信量大,控制電纜少,電纜施工量少,施工較快,成本低。(2）可讀取信息豐富,各I/0值、參數(shù)、中間變量值等信息都可傳輸。

數(shù)據(jù)通信方式也有以下缺點(diǎn):(1）需要專(zhuān)門(mén)的通信接口,如果控制的電機(jī)較少,成本較高。(2）只有一根數(shù)據(jù)通信線(xiàn),如果該通信線(xiàn)出現(xiàn)故障,將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中斷,可靠性較低。(3）對(duì)維修人員技術(shù)要求高,出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)查找困難。如果是軟件或信號(hào)干擾等問(wèn)題,對(duì)一般維修人員來(lái)說(shuō),分析處理問(wèn)題較難。

2電機(jī)的一次主回路和二次控制回路

電機(jī)的一次主回路主要包括短路保護(hù)電器(如斷路器、熔斷器）、接觸器主觸頭、熱繼電器或智能馬達(dá)控制器、變頻器、軟啟動(dòng)器等,通過(guò)對(duì)電機(jī)主電流回路開(kāi)斷控制,實(shí)現(xiàn)在正常情況下電機(jī)的啟停操作和在故障狀態(tài)下對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

二次控制回路是指對(duì)電機(jī)一次回路進(jìn)行控制的設(shè)備元件等,是由主令電器的觸頭、接觸器線(xiàn)圈及輔助觸頭、繼電器線(xiàn)圈及觸頭、信號(hào)燈等組成。通過(guò)一次回路和二次回路的配合,可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)、停止及聯(lián)鎖等運(yùn)行控制。

在確定與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連接的兩種電機(jī)接線(xiàn)控制方式后,電機(jī)啟動(dòng)及控制回路可以根據(jù)所采用的接線(xiàn)控制方式,更合理地確定單臺(tái)電機(jī)的一次主回路和二次控制回路的元器件選型。一般來(lái)說(shuō),硬接線(xiàn)方式可以選擇較經(jīng)濟(jì)的電機(jī)一次主回路元器件,比如熱繼電器:數(shù)據(jù)通信方式宜選用帶有通信接口的元器件,比如智能馬達(dá)控制器。

目前市場(chǎng)上各種品牌的變頻器和軟啟動(dòng)器,一般都帶有數(shù)據(jù)通信接口,可以直接通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)等與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相連。

3電機(jī)啟動(dòng)方式

電機(jī)啟動(dòng)方式包括直接啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)、變頻器啟動(dòng)等。下面簡(jiǎn)單介紹目前最常用的直接啟動(dòng)、降壓?jiǎn)?dòng)及變頻器啟動(dòng)的特點(diǎn)及應(yīng)用。

3.1直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)是指電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)。普通電機(jī)在全壓?jiǎn)?dòng)時(shí),啟動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的5～7倍。當(dāng)電機(jī)容量相對(duì)較大時(shí),該啟動(dòng)電流將引起電網(wǎng)電壓急劇下降,可能影響母線(xiàn)上其他用電設(shè)備的正常工作。電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)的大電流在定子線(xiàn)圈和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生很大的沖擊力,可能會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子等造成損壞:大電流還會(huì)產(chǎn)生大量熱,損傷繞組絕緣,減少電機(jī)壽命。

雖有上述缺點(diǎn),但全壓?jiǎn)?dòng)轉(zhuǎn)矩大,啟動(dòng)時(shí)間短,接線(xiàn)簡(jiǎn)單:如果外部電網(wǎng)容量足夠大,電機(jī)及機(jī)械設(shè)備能滿(mǎn)足啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的沖擊需求,母線(xiàn)電壓降不影響照明等其他設(shè)備的正常工作時(shí),全壓?jiǎn)?dòng)是最經(jīng)濟(jì)、可靠的一種啟動(dòng)方式。

3.2降壓?jiǎn)?dòng)

降壓?jiǎn)?dòng)有很多方式,包括軟啟動(dòng)、Y-A啟動(dòng)、串聯(lián)電抗器啟動(dòng)、水電阻啟動(dòng)等。本文主要介紹目前最常用的軟啟動(dòng)器降壓?jiǎn)?dòng)。

軟啟動(dòng)器是在啟動(dòng)過(guò)程中按啟動(dòng)時(shí)間逐步調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角以控制電壓的變化。由于在一定范圍內(nèi)電壓可連續(xù)調(diào)節(jié),因此啟動(dòng)較平穩(wěn),啟動(dòng)完畢后,一般通過(guò)旁路接觸器投入,電機(jī)進(jìn)入全壓運(yùn)行。

低壓軟啟動(dòng)器目前市場(chǎng)價(jià)格比較合理,除建設(shè)經(jīng)費(fèi)特別緊張外,設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮一臺(tái)電機(jī)配一臺(tái)軟啟動(dòng)器(簡(jiǎn)稱(chēng)一拖一）,接線(xiàn)簡(jiǎn)單,主要工藝設(shè)備啟動(dòng)時(shí)相互獨(dú)立,互不影響,可靠性、安全性較高:如果工藝流程允許的話(huà),也可以考慮一拖二甚至一拖多。

高壓電機(jī)軟啟動(dòng)器價(jià)格稍高,對(duì)安全性和可靠性要求較高的工藝設(shè)備,一般應(yīng)該考慮一拖一:如果建設(shè)經(jīng)費(fèi)比較緊張,考慮所啟動(dòng)的工藝設(shè)備和工藝流程允許的話(huà),也可以考慮一拖二甚至于一拖多,但可靠性較差。

3.3變頻器啟動(dòng)

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù),通過(guò)改變電機(jī)工作電源頻率來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。

變頻器主要由整流、濾波、逆變(制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測(cè)單元、微處理單元等）組成。變頻器靠?jī)?nèi)部1GBT的開(kāi)斷,調(diào)整輸出電源的電壓和頻率,根據(jù)電機(jī)實(shí)際需要提供其所需要的電源電壓和頻率,進(jìn)而達(dá)到平穩(wěn)啟動(dòng)的目的。用于電機(jī)控制的變頻器,既可以改變電壓,又可以改變頻率。

變頻器啟動(dòng)主要適用于需要啟動(dòng)平穩(wěn)和較大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況,可以完美實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)和軟停車(chē),并且可以無(wú)級(jí)調(diào)速。

4結(jié)語(yǔ)

通用設(shè)備電機(jī)的啟動(dòng)及控制設(shè)計(jì),應(yīng)從工藝設(shè)備要求出發(fā),結(jié)合計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求,考慮使用維護(hù)方便、滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范等各方面要求,在確保整個(gè)控制系統(tǒng)安全、可靠的前提下,應(yīng)力求簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì),便于操作和維修。如何合理設(shè)計(jì)工業(yè)企業(yè)通用設(shè)備電機(jī)的啟動(dòng)及控制方式,是工業(yè)電氣設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容,包括啟動(dòng)及控制的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、可操作維護(hù)性等。