大功率直流电机调速系统设计对PLC控制技术应用的基本要求

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摘 要

可编程控制器PLC作为船舶智能化、自动化控制的重要元件，主要将计算机技术、继电器控制技术及通讯技术融合为一体，其独有的灵活简便性和易于扩展性对工程船舶在不同作业现场的针对性应用具有极好的促进作用。然而大功率直流电机调速系统设计过程对PLC控制技术的融入所存在的要求，在目前的研究和应用中具有可查性的较为有限，需要在结合PLC控制技术未来发展趋向进行进一步的实践型深入研究。

【关键词】大功率直流电机 调速系统设计 PLC控制技术

电力电子技术及电机调速的快速发展和相互结合，达成了电气传动控制的现代型转化目的。在电机传动控制发展和改革的过程中，器件和控制技术的同步发展同样不可忽视。从模拟电子器件发展到数字电子器件，再拓展为功能极强的可编程控制器和控制计算机，我国控制技术和工程控制机以计算机技术的融入为标志，已经进入了一个崭新的历史阶段。按照当前工业现代化生产和转型的需要，传统工业生产中应用的大型继电器，逐步被微处理机为载体的PC系统所代替，在调速系统需要的引导下，自动调速系统作为我国工程实践中许多生产器械在设计之初需要调节的重点范畴，在大功率直流电机的应用中，已然完成了诊断、监视、控制、复原、保护等多项直流调速控制所需要的功能改进。当然目前为止的改进具有阶段性，并不能作为大功率直流电机与PLC控制技术融入完结的代表。

1 PLC控制技术在大功率直流电机调速系统中应用的可能性

1.1 大功率直流电机调速系统精准性调整的需要

可编程控制器PLC作为传播智能化、自动化控制的重要控制元件，需要将计算机技术、电气控制技术、通讯技术融合为一体，并以模块式的组合设计方式为载体，进而辅助大功率直流电机系统控制、操作等方面的灵活运作及功能性扩展。在大功率直流电机调速系统中应用PLC控制技术，其特有的高稳定性可保障大功率直流电机调速系统电气控制设备运作的高性能性。比如PLC内部电路特有的先进干扰技术，生产工艺制造的严格性，现代大规模的集成电路技术应用，输入和输出口的光电隔离，每个模块的防辐射屏蔽处理，输入端口使用RC滤波器等均可以极为良好的保持大功率直流电机调速系统运行的顺利性，以及调节的精准性。尤其是PLC控制技术在大功率直流电机调速系统中应用后，所具有的灵敏自诊断功能，更能在软硬件及电源初次出现异常时，就可以及时使用有效措施应对，极大的提升了大功率直流电机调速系统对故障判断的准确性、及时性和问题解决的针对性等。

1.2 大功率直流电机调速系统成本降低的要求

大功率直流电机调速系统在设计之初，需要针对其系统模块、接口模块、设计建造的工作量、维护所需要的人力支出等各个方面进行精准的考量。PLC控制技术所具有的可针对工业现场不同的如直流、交流、电压、开关量、脉冲、电流、模拟量、弱电、强电等信号与I/O模块需要一一对应的特殊性，可提供直接与工业现场的设备和器件进行连接的功能，I/O接口模块的丰富性可节约大功率直流电机调速系统所需要的端口设计、维护及问题处理时间。在此种设计下，大功率直流电机调速系统对工业现场信号的接受和处理自然更为及时。就大功率直流电机调速系统模块设计的工作量而言，PLC控制技术所使用的包含I/O接口模块、直流电源、CPU等在内的模块设计风格，可将电缆和机架等模块更为系统的连接起来，系统规模本身可按照用户需要自行组建。随着PLC功能单元不断推陈出新，PLC通信能力、人机界面技术发展以及PLC在各类工业控制中快速的渗入。目前用户运用PLC组合成各类控制系统的操作性被大幅度降低。

2 PLC控制技术在大功率直流电机调速系统中融入的原则

PLC控制技术作为早期继电器逻辑控制系统快速发展的产物，在直流调速系统里应用时，必须考虑到系统逻辑控制原则的设定要求。逻辑控制包含电机保护、系统运行时各个性能参数监视、电机正反向运行和起停控制等。由于大功率直流电机调速系统在运行的过程中很容易因为控制元件的硬件接线逻辑构建而影响其保养成本，如此，在PLC控制技术融入时，需要考虑调速控制电路、调速系统主电路、信号检测电路设计等方面对晶闸管直流电动机拖动系统调速功能的基本要求，以及直流电动机的正反转运行和逻辑起停、风机运行、故障保护、速度给定、报警、人机交互界面等自动控制的功能设定要求，尽可能实现系统多位置的自动控制设定。

因此，在PLC选型阶段主要使用驱动集团和西门子研发生产的模块化设计的小型模块化PLC系统S7-200系列。该系统CPU共5种，可拓展到7个模块、模拟量I/O38路、248点数字量I/O。数据存储空间和程序存储空间最多30KB，可对拟量I/O进行直接读写。此系列的PLC系统温度适用范畴确定在0-55℃。

3 PLC控制技术融入下大功率直流电机调速系统的设计

3.1 系统应用性能指标的设定及要求

3.1.1 调速系统的设定及要求

在各类工程船舶中应用的大功率直流电机系统，作为工程船舶工程作业动力的核心，具有可靠性高、性能优良等优势。大功率直流电机属于强电和弱电控制的结合系统，其中强电部分主要以控制信号为依据进行电动机转速的调节，按照不同作业现场需要，对钻机、铰刀等机械负载进行拖动等控制。而弱电部分需要对系统工作时的电机温度、转速、晶闸管温度、电枢电流等信号进行检测，并以此为依据进行控制信号的发出。

调速系统的设定方面因为PLC控制技术融入大功率直流电机调速系统的设计并没有限定在某个类型的工程船舶或者某种类型的电力拖动设备中，因此仅仅从宏观层面进行分析时，要求调速系统的控制系统速度必须反映灵敏，可满足断续、连续工作机制的要求，具有防爆、轻载高速等方面的良好性能，而制动方面必须要可靠、快速，转速调节方面可选择D=5（一般范围为D=4-10）。

3.1.2 直流电动机的设定及要求

按照系统应用需要，在直流电动机选择方面，考虑到直流电动机的安装空间尺寸容易受限，在船舶工况的限制下，电动机和控制结构均需要进行紧凑型设计。直流电动机在运行时，因动力装置和负载所出现的突变而导致的震动有可能给电动机带来极大的震动或冲击，因此电动机零部件的机械强度和连接性必须强。考虑到在应用中直流电动机容易受到温度、污泥、潮湿、盐雾等方面的侵袭，因此其绝缘规格和绝缘材料的选择不仅需要考虑到以上各方面因素，还需要考虑到直流电动机经常制动、过载、启动和在磁场消弱条件下运行时的换向要求。

3.2 直流电动机调速系统模型的构建

在PLC控制技术融入的要求下，大功率直流电机调速系统需要将测速发电机、大功率直流电动机、晶闸管风机、电动机风机、晶闸管控制模块、PLC控制模块和一些小型执行继电器、直流电压隔离器、电流互感器、大功率接触器等有效组合起来。

在系统设计阶段，关于设计所覆盖的各部分机器及系统的要求，该系统框架的主电源三相交流需要设定为660V，985A和50HZ，而辅助电源的三相交流数值需要设定为660V，50A和50HZ，加热电源的三相交流数值设定为220V，10A和50HZ，而励磁电源值设定为220VDC，11.5A。额定电流设定为1150A，主电动机额定电压设定为720VDC，额定转速设定为1150转/分。晶闸管风机的额定电流和额定电压分别设定为0.87A和220VAC。电动风机容量和额定电流分别设定为15KW和17A。空间加热器的功率和额定电压分别为1200W和220AC。

首先，在主电路设计方面。该系统的主电路主要由来自母线的三相交流断路器支撑，以整流变压器为载体向晶闸管进行供电，为降低高次谐波所带来的不良影响，电路必须使用三相全控桥式整流电路，而变压器则使用△/Y接法。其中，晶闸管元件所承受的正反向的峰值电压需要与变压器副边线电压值的2倍作为选择值。如晶闸管额定电流设定为844A，在晶闸管设计阶段可选择使用冷却风机进行管温度的冷却，晶闸管的结温不能超过110℃。

其次，调速控制电路的设计。弱磁调速和调压调速作为整体调速方法，并以给定装置作为弱磁调速和调压调速之间相互关联的载体。在设定方面，设定给定转速小于额定转速的95%时，以调压调速为主，励磁电流的稳定依靠励磁系统。给定转速大于额定转速的95%时，系统依靠弱磁调节，励磁电流需要减弱，以保持转速上升达到稳态要求。从本质而言，转速上升实际是保持电动机反电动势保持恒值的调节过程。当PLC发出控制信号时，脉冲变压器作为被控制载体，按照正、反两极运行的信号进行晶闸管整流组正反向的切换。

第三，晶闸管触发电路方面。目前的设计可使用双脉冲触发的模式，如将电路设计为锯齿波形成电路、脉冲放大电路、移相电路三个构成部分。如图3-1所示，在同步变压器的处理后三相电源任何两组可相互融合，总体共三组目前下图仅用一组作为示例，其他两组构建方式类似，仅仅在触发信号的对应晶闸管方面设置有所区分。在放大器同相端的信号处理方面，输出为负，二极管D6在辅助输出到放大器ICZC的反相端后，按照输出为正的设定，反相器IC4A需要反相输出信号，并由二极管D8向积分器IC2D进行反相输入。积分器IC2D、IC2C和二极管D7和D9负责构建锯齿波并向放大器IC2A和IC2B输送。经电流调节器进行+5V—5V的信号输出时，其对应的移相角必须限定在0-180°。此外，脉冲放大电路需要使用三极管放大电路、脉冲变压器、三态锁存器hef4O373b及可调占空比方波发生器NE555来构建。

第四，信号检测电路方面。调速系统作为反馈控制，需要使用传感器进行实时的系统运行状态检测，以构建反馈控制。检测信号的实时运作具有随机性，此类干扰信号容易影响故障分析和处理。因此，基于信号转换及数据处理等方面的需要，在交流测速发电机选择时，运用型号为GGT-250，额定频率为100OHz、额定转速为1500r/min的具有高稳定性、安全性、线性，不需要对其进行特殊维护的交流测速发电机。其三相额定线电压和三相整流后的直流输出电压目前为380V和510V。需要注意的是，直流电动机主轴和测速发电机需要刚性连接，不能出现任何间隙，以避免出现发电机转动部位的意外损伤。为保障电流反馈信号获取的准确性，交流电流互感器作为大功率直流调速系统的反馈信号检测器。

3.3 直流电动机调速系统的逻辑控制

在系统运转的过程中PLC主要接收主控制板所输出的转速设定信号和启动信号，以电动机启动条件作为判断是否可以启动电动机的依据。当出现不满足条件时可自动发出警报。启动方式可设定为自动和手动两种，前者由PLC按照操作人员预先设定的程序进行电动机启动，后者则需要操作人员自行点击控制台上的开关如“PLC/ByPass”或者按动手柄进行电动机启动。

在电机运作的同时，PLC需要不停的接收来自各个检测电路所输出的如电流、转速、温度等反馈信号，并按照程序设定的要求进行对比、判断、信息反馈，并适时启动电动机风机、可控硅风机等辅助设备，以确保调速系统的顺利运作。一旦控制台反馈重大事故信号或要求停止电机的启动时，电机必须停止。操作人员需要按照反馈信息进行应对问题的检查和解决。

4 总结

综上，直流电机调速未来发展趋势集中在控制元件水平和控制理论不断提高和完善等方面，目前所使用的PLC控制技术可不断完善调速系统逻辑控制系统的智能化。不可否认的是，在以通信协议为背景上位机PC和下位机PLC之间信息传递的辅助下，工程船舶自动控制水平正在逐步提升中。但是在工作可靠性、器件容量、生产工艺、经济效能等方面还有待于进一步的完善。

参考文献

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[3]王静.高性能永磁无刷直流电机调速系统的研究[D].内蒙古科技大学，2013（06）.

作者单位

德州职业技术学院 山东省德州市 253034