摘要 通過(guò)對(duì)主回路、控制回路及PLC程序設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速一拖二控制功能。
0 引言
變頻調(diào)速在工業(yè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，通過(guò)可編程控制器PLC、變頻器、繼電器等有機(jī)組合，可實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制、調(diào)速。
我公司化工生產(chǎn)中多數(shù)動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行方式是一開(kāi)一備（一臺(tái)運(yùn)行、一臺(tái)備用），而且工藝要求介質(zhì)流量調(diào)整較頻繁，通過(guò)調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)流量比較麻煩，也不易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化控制。若采用變頻器控制，因其起動(dòng)特性軟、調(diào)速平滑方便等優(yōu)點(diǎn)，能滿足工藝控制要求。若用兩臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，則很不經(jīng)濟(jì)。如果采用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)變頻運(yùn)行，另一臺(tái)電動(dòng)機(jī)作備用；當(dāng)變頻器故障時(shí)能切換至工頻運(yùn)行，通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)流量，滿足工藝要求的方案也不理想。為此考
慮采用一臺(tái)西門(mén)子變頻器帶兩臺(tái)電機(jī)，并與西門(mén)子S7-200系列PLC、繼電器配合實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速、切換控制，即變頻一拖二控制。通常情況下，一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行，另一臺(tái)作備用。一般，變頻故障切換旋鈕在投入位置，當(dāng)變頻器故障時(shí)，當(dāng)前運(yùn)行的電機(jī)能自動(dòng)切換到工頻運(yùn)行；這時(shí)變頻控制回路可以退出，方便了維修。
為了達(dá)到生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的要求，根據(jù)公司電氣設(shè)備現(xiàn)狀，擬將兩臺(tái)110 kW 電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。采用一臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，并與可編程控制器PLC、繼電器有機(jī)組合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制（變頻一拖二控制）。
1 設(shè)計(jì)原理
1.1 主回路設(shè)計(jì)方案
如圖1，兩臺(tái)110 kW 異步電動(dòng)機(jī)MA、MB，每臺(tái)電機(jī)有工頻、變頻兩種運(yùn)行方式，兩臺(tái)電機(jī)共用一臺(tái)變頻器。正常運(yùn)行時(shí)為一開(kāi)一備，一臺(tái)電機(jī)變頻運(yùn)行，另一臺(tái)電機(jī)作備用?？傠娫撮_(kāi)關(guān)QF出口分兩路,一路供工頻電，又分支兩路(二、三回路)分別供電機(jī)MA、MB 工頻控制;另一路供變頻器，其輸出也分支兩路(一、四回路)分別供電機(jī)MA、MB。由于變頻器自身具有熱保護(hù)功能，所以變頻一、四回路不再外接熱過(guò)載繼電器，而在工頻二、三回路加設(shè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器FH。并在電機(jī)MA、MB回路裝電流互感器CT，外接電流表以監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行電流?？紤]到從變頻器到電機(jī)電纜線路較長(zhǎng)，變頻器運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生較強(qiáng)的高次諧波，對(duì)電機(jī)運(yùn)行不利。因此，在變頻器主出線側(cè)裝電抗器來(lái)抑制諧波的
影響。
由于電機(jī)一般運(yùn)行在變頻狀態(tài)下，工頻狀態(tài)只是在變頻器故障時(shí)運(yùn)行。從安全運(yùn)行的角度考慮，控制回路電源取自工頻空氣開(kāi)關(guān)2QF、3QF 下口較為理想，如圖示La、Lb。這樣在變頻回路故障、檢修停電更換元器件時(shí)，控制電源不受影響，確保工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行。同理，在變頻電源側(cè)裝一只400 A的隔離開(kāi)關(guān)GK，保證在變頻器故障下能斷開(kāi)變頻側(cè)主回路電源，以便變頻器維修而不影響電機(jī)工頻運(yùn)行。
我公司使用的變頻器類型較多，有西門(mén)子、ABB、施耐德、日產(chǎn)、國(guó)產(chǎn)的等。由于對(duì)西門(mén)子變頻器的原理、參數(shù)、技術(shù)特性、故障處理較為熟悉，并且西門(mén)子變頻器質(zhì)量較好、運(yùn)行較為穩(wěn)定，因此變頻器選型為西門(mén)子ECO1-110K/3 型。其端子5、9 接“變頻器起?！毙盘?hào)，端子19、20 為“變頻器故障”繼電器5K輸出端，端子21、22 為“變頻器運(yùn)行”繼電器6K 輸出端,端子3、4 接模擬量輸入（4～20 m A）, 端子12、13接模擬量輸出。并且保證變頻器可靠接地。
1.2 控制回路設(shè)計(jì)方案
1.2.1 MA電機(jī)控制回路
如圖2 所示，控制回路電源采用AC 220 V，MA電機(jī)有變頻、工頻兩套回路，停止按鈕共用，啟動(dòng)按鈕各自設(shè)置。并保證變頻回路（變頻器、PLC 等）故障時(shí)能啟動(dòng)工頻回路運(yùn)行。
變頻回路為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，選用中間繼電器1K，作MA電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)。將1K的常開(kāi)接點(diǎn)引至PLC輸入端。為了保證安全運(yùn)行，MA 變頻回路須與MB 回路互鎖，即接入2 KM、4 KM 接觸器動(dòng)斷輔助觸點(diǎn)。當(dāng)CPU檢測(cè)到MA變頻啟動(dòng)各信號(hào)正常時(shí)，中間繼電器3K 得電，其動(dòng)合接點(diǎn)閉合，MA變頻接觸器1KM閉合。
工頻回路MA 工頻控制回路須與MA 變頻回路互鎖，即串接1KM一常閉接點(diǎn)。在啟動(dòng)按鈕兩端并接工頻接觸器2KM 一組常開(kāi)接點(diǎn)，作為自鎖保護(hù)?？芍苯庸ゎl啟動(dòng)MA 電機(jī)。在啟動(dòng)按鈕兩側(cè)再并接繼電器7K 一動(dòng)合接點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)PLC 程序控制啟動(dòng)MA工頻回路。
以上回路必須保證各回路間的互鎖，確保只有一臺(tái)電機(jī)在一種狀態(tài)下運(yùn)行。
1.2.2 MB電機(jī)控制回路
如圖3，控制回路與MA控制回路相似。
工頻回路MB工頻控制回路須與MB變頻回路互鎖，即串接4KM一常閉接點(diǎn)。在啟動(dòng)按鈕兩端并接工頻接觸器3KM一組常開(kāi)接點(diǎn)，作為自鎖保護(hù)?？芍苯庸ゎl啟動(dòng)MB電機(jī)。在啟動(dòng)按鈕兩側(cè)再并接繼電器8K一動(dòng)合接點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)PLC 程序控制啟動(dòng)MB工頻回路。
變頻回路為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，選用中間繼電器2K，作MB 電機(jī)的啟動(dòng)信號(hào)。將2K的常開(kāi)接點(diǎn)引至PLC 輸入端。為了保證安全運(yùn)行，MB變頻回路須與MA 回路互鎖，即接入1KM、3KM接觸器動(dòng)斷輔助觸點(diǎn)。當(dāng)CPU檢測(cè)到MB變頻啟動(dòng)各信號(hào)正常時(shí)，中間繼電器4K得電，其動(dòng)合接點(diǎn)閉合，MB 變頻接觸器4KM閉合。
1.2.3 可編程控制器PLC選型及設(shè)計(jì)方案
如圖4 所示，可編程控制器（PLC）選型為西門(mén)子S7-200 系列，CPU 為224，它具有15 路直流24V 輸入，9 路繼電器（~220V）輸出，能滿足設(shè)計(jì)要求。原理接線如圖5 所示。I0. 0~I0. 7、I1.
0~I1.5 為輸入端子，Q0.0~Q0.7、Q1.0、Q1.1 為輸出端子。
I0.0 接1KM 啟動(dòng)信號(hào)（中間繼電器1K的動(dòng)合觸點(diǎn)）;
1）MA變頻I0.1 接4KM 啟動(dòng)信號(hào)（中間繼電器2K 的動(dòng)合觸點(diǎn)）;
2）MB變頻I0.2 接1KM 閉合信號(hào)（接觸器1KM 的動(dòng)合觸點(diǎn)）;
3）MA變頻I0.3接4KM閉合信號(hào)（接觸器4KM的動(dòng)合觸點(diǎn)）;
4）MB變頻轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)1SA作為A 泵變頻故障時(shí)自動(dòng)切換至A泵工頻運(yùn)行信號(hào)，正常運(yùn)行時(shí)取其常開(kāi)接點(diǎn)，接至I0.4。
轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)2SA作為B泵變頻故障時(shí)自動(dòng)切換至B泵工頻運(yùn)行信號(hào)，正常運(yùn)行時(shí)取其常開(kāi)接點(diǎn)，接至I0.5。
I1.0接2KM閉合信號(hào)（接觸器2KM的動(dòng)合觸點(diǎn)）1)MA工頻I1.0接4KM 閉合信號(hào)（接觸器4KM
的動(dòng)合觸點(diǎn)）;
2)MB工頻端子I1.0、I1.1 分別接變頻器故障信號(hào)（繼電器5K的動(dòng)合接點(diǎn)）、變頻器運(yùn)行信號(hào)（繼電器6K的動(dòng)合接點(diǎn)）。
直流24V電源采用CPU224的內(nèi)置直流24V電源。
輸出端子Q0.0接繼電器3K, 控制MA 電機(jī)1KM變頻啟動(dòng)。Q0.1接紅色指示燈3HD，作為A泵故障切
換指示。Q0.2接繼電器7K ,控制MB電機(jī)2KM工頻啟動(dòng)。同理，輸出端子Q0.4、Q0.5、Q0.6 分別接繼電器4K、指示燈4HD、繼電器8K，作為MB 電機(jī)變頻、工頻啟動(dòng)控制。
端子Q0.7、3L分別接變頻器端子5、9 ，作為變頻器起停控制信號(hào)。
1.2.4 變頻一拖二控制原理
為了保證變頻器的安全運(yùn)行，電機(jī)在變頻啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)先使變頻器下口回路接通（接觸器吸合），然后再使變頻器起停置位，變頻運(yùn)行。電機(jī)在變頻停機(jī)時(shí)，應(yīng)先停變頻器，再斷開(kāi)接觸器。
1) MA電機(jī)變頻過(guò)程
(1)啟動(dòng) 按下啟動(dòng)按鈕1QA或3QA，中間繼電器1K 得電吸合，同時(shí)控制回路通過(guò)1K動(dòng)合接點(diǎn)自鎖。獲得1KM 啟動(dòng)信號(hào)，PLC I0.0 輸入其常開(kāi)接點(diǎn)閉合，PLC檢測(cè)到無(wú)MA 工頻運(yùn)行信號(hào)、MB 變頻運(yùn)行信號(hào)、變頻故障信號(hào)，且有正跳沿觸發(fā)時(shí)，Q0.0 置位輸出，繼電器3K 得電吸合，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器1KM 線圈得電吸合,MA變頻啟動(dòng)。此時(shí)若變頻器無(wú)故障，PLC輸出端Q0.7 置位，即“變頻起?！敝梦?，頻率升至設(shè)定值，電機(jī)MA變頻運(yùn)行開(kāi)始。
(2)停機(jī) 按下停止按鈕TA,繼電器1K 失電1KM啟動(dòng)信號(hào)消失。PLC檢測(cè)到負(fù)跳沿時(shí)，“變頻起?！睆?fù)位，頻率逐漸降為零。接通內(nèi)部定時(shí)器T37延時(shí)1s后，輸出端Q0.0復(fù)位，3K失電，接觸器1KM 斷開(kāi)，MA變頻停機(jī)。
(3) 電機(jī)MA 變頻故障自動(dòng)切換工頻過(guò)程檢測(cè) 到變頻器故障信號(hào)（5K 閉合I0.3 置位）、MA自動(dòng)切換信號(hào)(1SA 閉合I0.4 置位)、1KM 閉合信號(hào)（I0.2 置位）或啟動(dòng)信號(hào)（I0.0置位）時(shí)，存儲(chǔ)器M0.0置位、輸出Q0.7復(fù)位（變頻起停復(fù)位）、Q0.0 復(fù)位1KM 斷開(kāi)，MA 變頻停機(jī)。A泵切換指示燈3HD亮，Q0.2置位、繼電器7K 吸合接通MA 工頻控制回路、接觸器2KM 吸合，MA工頻運(yùn)行。將轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA旋至斷開(kāi)位置，Q0.1 復(fù)位3HD燈滅。
（4）MA 變頻故障自動(dòng)停機(jī)PLC 檢測(cè)到變頻器故障信號(hào)、有1KM 啟動(dòng)或閉合信號(hào)、無(wú)MA 變頻故障自動(dòng)切換信號(hào)時(shí)，Q0.7變頻起停復(fù)位，Q0.0 復(fù)位，1KM斷開(kāi)，MA故障停機(jī)。
2）MA電機(jī)工頻過(guò)程
若接觸器1KM未吸合,則按下啟動(dòng)按鈕2QA，MA工頻控制回路接通，接觸器2KM 吸合，同時(shí)2KM 一組常開(kāi)輔助觸點(diǎn)閉合自鎖，MA工頻直接起動(dòng)、運(yùn)行。按下停止按鈕TA或電機(jī)保護(hù)器1FH動(dòng)作，控制回路斷開(kāi)，接觸器2KM斷開(kāi)，MA工頻停機(jī)。
MB電機(jī)變頻、工頻過(guò)程與MA電機(jī)類似，具體控制過(guò)程在PLC 主程序及程序說(shuō)明中亦有詳細(xì)的論述，在此不在贅述。
2 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)對(duì)變頻一拖二控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將變頻器、可編程控制器、繼電器等有機(jī)結(jié)合，并通過(guò)合理的程序控制來(lái)滿足生產(chǎn)工藝操作要求。此系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)安全、操作簡(jiǎn)便，適于在電力拖動(dòng)系統(tǒng)推廣應(yīng)用。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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