基于PLC的双速电机调速反接制动控制系统研究
备注：天津渤海职业技术学院科研资助项目，项目名称“PLC对双速电动机调速反接制动控制系统的研究”，课题申请号2017004
摘要：创新发展是新常态下高职教育的必然选择，自主开发实训设备对高职院校创新发展和教学质量的提升十分必要。本研究打破传统电机调速控制系统的设计思路，将PLC、传统双速电动机调速系统、温控器、测速仪表、组态软件等结合起来，提出了基于PLC的双速电机调速反接制动控制系统方案，设计完成了自动化程度更高的双速电机实训装置，在高职院校开发创新实训设备方面做了新的尝试。
关键词：PLC；双速电动机；调速；反接制动
Speed and reverse braking control system design of two-speed motor based on PLC
Bai Yan Feng
（Tianjin Bohai Vocational Technology College，Tianjin 300401）
Abstract: Innovative development is the inevitable choice of education in higher vocational colleges, it is necessary to develop the training equipment independently to improve the innovation development and teaching quality of higher vocational colleges. This study breaks the design idea of the traditional motor speed control system, combines PLC with traditional two-speed motor speed control system, temperature controller, measuring instrument and configuration software, etc. A new control system is proposed and the training device is designed.
Keywords: PLC; Two-speed motor; Speed control; Reverse braking
引言
双速电动机广泛用于煤矿、冶金、造纸、石油化工和天然气等工业场合，主要用于驱动泵、风机、压缩机和其他传动机械。在工业加工生产过程中，要求电动机带动皮带传送时有多种速度变化，同时流水线上的物料必须可靠、迅速的停止在指定的加工位置，这就对电机调速及制动控制提出越来越高的要求。传统变速电机的控制都采用继电接触器控制技术，该控制系统存在诸多缺点，如体积较大、变速单一、价格偏高、适用范围较窄、故障率高、控制精度低、机械加工功效低等。
PLC体积小、功耗小、性价比高，在工业控制中占有重要地位，其控制系统能够辅助特定设备高质量地满足电动机对各种速度和电动机停车制动的要求。此外，反接制动作为三相异步电动机常用的电气制动方式，其优点是制动力强、制动迅速，适用于制动要求迅速、系统惯性较大的工业生产设备。以此为背景，PLC对双速电动机调速反接制动控制系统的研究及实训设备的开发具有现实意义。
1 系统设计思路
根据目前国内装备制造市场上生产和加工的实际需要，结合高职院校对电类专业人才的培养需求，综合运用现代电机拖动技术、PLC应用技术、组态控制技术、传感器与检测技术、计算机技术、电气控制理论、电气安全操作技术等多种技术知识，搭建一套PLC对双速电动机调速反接制动控制系统，基于该系统设计的实训装置在完成传统电动机调速及反接制动功能的基础上，利用触摸屏及组态软件实现对实训装置的“正常运行/故障排除”双模式切换控制，测速发电机（速度传感器）及仪表实现对双速电机的实时转速监控。
此外，电动机运行时，绕组绝缘中最热点的温度称为绝缘材料的极限工作温度。如果电机运行温度长期超过材料的极限工作温度，则会加剧绝缘的老化，大大缩短寿命。所以电机在运行中，温度是影响绕组使用寿命的主要因素之一。同时，温升标志着电机的发热程度，是电机设计及运行中的一项重要指标，在运行过程中，如电机温升突然增大，说明电机有故障，或负荷太重或风道阻塞。考虑到以上因素，控制系统采用温控器对电动机绕组温度进行实时监控，并将反馈控制信号发送至PLC，当绕组温度超过设定值或温升突增时，自动完成电动机反接制动，避免电动机过热而影响寿命。
2 控制系统设计及原理
2.1 控制系统设计
双速电动机自动变速双向反接制动电气控制原理如图1所示，4/2极双速电动机定子绕组接线如图2所示，I/O接线方式如图3所示。根据电气原理图，利用MCGS组态软件，设计“正常运行/故障排除”双模式切换组态画面如图4所示。
图1 双速电动机调速反接制动控制系统电气原理图
图2 4/2极双速电动机定子绕组接线图
图3 I/O接线图
图4 组态画面设计
2.2 控制系统工作原理
如电动机M需高速正转运行时，先将M高/低速切换开关SA闭合，按下按钮SB1，中间继电器KA1、时间继电器KT、接触器KM1和KM3相继接通，电动机M定子绕组接成△形正转低速启动；5S后时间继电器KT常闭触点延时断开接触器KM3，KT的常开触点延时闭合接触器KM4、KM5，电动机M定子绕组换接成YY形正转高速运行，此时速度继电器KS-1常开触点闭合，为停车反接制动做准备。
电动机停车时，按下按钮SB3，SB3的常闭触点先断开，中间继电器KA1、时间继电器KT、接触器KM1和KM4、KM5相继断开，接着SB3的常开触点后闭合，由于电动机正转惯性速度还很高，速度继电器KS-1的常开触点仍闭合，使接触器KM2、KM3相继接通，电动机M定子绕组接成△形反向反接制动；电动机M转速降到100r/m以下时，速度继电器KS-1常开触点复位断开，使接触器KM2、KM3断开，电动机M停车制动结束。
如电动机M需高速反转运行时，先将M高/低速切换开关SA闭合，按下按钮SB2，中间继电器KA2、时间继电器KT、接触器KM2和KM3相继接通，电动机M定子绕组接成△形反转低速启动；5S后时间继电器KT常闭触点延时断开接触器KM3，KT的常开触点延时闭合接触器KM4、KM5，电动机M定子绕组换接成YY形反转高速运行，此时速度继电器另一组常开触点KS-2闭合，为停车反接制动做准备。
电动机停车时，按下按钮SB3，SB3的常闭触点先断开，中间继电器KA2、时间继电
器KT、接触器KM2和KM4、KM5相继断开，接着SB3的常开触点后闭合，由于电动机反转惯性速度还很高，速度继电器KS-2的常开触点仍闭合，使接触器KM1、KM3相继接通，电动机M定子绕组接成△形正向反接制动；电动机M转速降到100r/m以下时，速度继电器KS-2常开触点复位断开，使接触器KM1、KM3断开，电动机M停车制动结束。
如仅需电动机M低速运行，先将电动机的M高/低速切换开关SA置于断开位置，再按下所需转向的相应启动按钮即可。同理M停车时，按下按钮SB3电动机立即反接制动停转。
如电动机绕组温度超过设定值（根据绝缘材料耐热等级设定，如A级材料为105°）或温升突增时，自动完成电动机反接制动。此外，电动机 M有短路、过载、接地、欠压、失压及联锁保护。整个控制系统工作过程可通过触摸屏组态画面监控，可通过正转/反转、低速△/高速YY指示灯的亮灭来实时监视双速电动机的工作状态，组态画面亦可显示双速电机实时转速和绕组温度，当绕组温度超过设定值，电机制动停车的同时，记录温度报警时间，便于管理员对该系统的管理。
3 结语
基于该系统研究设计后的装置可作为高职机电类专业学生现代电气控制技术、PLC应用技术、组态控制技术、电机拖动技术等课程的拓展实训设备，也可用于企业员工技师和高级技师技术培训和技能鉴定，利于电气自动化专业服务企业和促进校企合作。
参考文献
[1]电机与电力拖动实验教程[M].厦门：厦门大学出版社，2008.
[2]电机、拖动及电力系统(原书第6版)[M].北京：机械工业出版社，2015.
作者简介：白岩峰（1986-），男，河北阳原，专任教师，讲师，硕士，研究方向：电气自动化
