6ES7331-7KF02-0AB0详细说明
1 引言
传统的鼠笼式异步电动机起、制动控制方式一般有四种，即定子回路串电阻起动，Y/△起动，自耦变压器起动和延边三角形起动;制动方式有三种，反接制动，能耗制动和电容制动，其中任何一种起，、制动控制方式的实现通常由继电器-接触器控制系统来完成。下面就以定子回路串电阻降压起动和反接制动为例，分析由继电器-接触器实现的鼠笼式异步电动机的起、制动控制。
如图1所示，此控制电路含三个接触器和一个中间继电器线圈，12个触点。起动时，KM2、KM3线圈均处于断开状态，按下起动按钮SB1，KM1线圈通电并自锁，电动机串电阻减压起动。当电动机转速上升到某一定值时(此值为速度继电器KS1的整定值，可调节，如调至100r/min时动作)，速度继电器KS1的常开触点闭和，中间继电器KA通电并自锁，KA的常开触点接通接触器线圈KM3，KM3的主触点在主电路中短接定子电阻R，电动机转速上升至给定值时投入稳定运行。
制动时，按下停机按钮SB2，KM1线圈断电，其主触点断开三相电源;控制电路中常开触点断开，KM3失电，限流电阻串入;常闭触点闭合，接通反接制动接触器KM2，对调两相电源相序，电动机处于反接制动状态。当转速下降至某一定值时(比如100r/min),KS1常开触点断开KA，继而断开KM2，电动机失电，迅速停机。
图1 继电器接触器控制系统
这种传统的继电器接触器控制方式控制逻辑清晰，采用机电合一的组合方式便于普通机类或电类技术人员维修，但由于使用的电气元件体积大、触点多、故障率大，运行的可靠性较低。随着PLC技术的发展，使用PLC进行电机的运行控制已成为必然趋势。
2采用PLC实现鼠笼式异步电动器起、制动控制
可编程序控制器是在继电器控制和计算机控制的基础上开发的产品，自60年代末，美国研制和使用可编程控制器以后，特别是日本和联邦德国也相继开发了各自的PLC(programmablelogiccontroller)，与传统的继电器接触器控制系统相比较，笔者认为采用PLC实现鼠笼式异步电动机起制动控制是明智的选择。下面就是笔者设计的采用PLC实现的鼠笼式异步电动机起制动控制电路的接线图、梯形图和指令程序，如图2和图3所示。
图2 PLC控制的输入输出接线图
图3 PLC控制的梯形图
PLC控制逻辑与传统的继电器接触器控制系统基本一致，其工作过程如下:
起动时，按下起动按钮SB1,X400常开触点闭合，Y430线圈接通并自锁，KM1线圈接通，主触头吸合，电动机串入限流电阻R开始起动，Y430的两对常开触点闭合，当电动机转速上升到某一定值时，KS1的常开触点闭合，X402常开触点闭合，M100线圈接通并自锁，M100的一对常开触点接通Y432的线圈，KM3线圈有电主触头吸合，短接起动电阻，电机转速上升至给定值时投入稳定运行。
制动时，按下停机按钮SB2，X401常开触点断开Y430线圈，使KM1失电释放，而Y430的常闭触点接通Y431线圈，制动用的接触器KM2线圈通电，对调两相电源的相序，电动机处于反接制动状态。Y430的常开触点断开Y432的线圈，KM3失电释放，串入电阻R限制制动电流。当电动机转速迅速下降至某一定值时，KS1常开触点断开，X402常开触点断开M100的线圈，M100的常开触点断开Y431线圈，KM2失电释放，电动机很快停下来。过载时，热继电器FR常开触点闭合，X403的两对常闭触点断开Y430和M110的线圈，从而使KM1或KM2失电释放，起到过载保护作用。
上述控制过程指令程序如下:
3PLC与继电器接触器控制系统的比较
通过对鼠笼式异步电动机起制动的传统控制方法和PLC控制方法的比较，从某种意义上看，PLC控制是从继电器接触器控制发展而来的。两者既有相似性又有很多不同处。
3.1二种方案的不同点
(1)PLC内部大部分采用“软”逻辑
继电器接触器控制全部用硬器件、硬触点和“硬”线连接，为全硬件控制;PLC内部大部分采用“软”电器、“软”接点和“软”线连接，为软件控制;
(2) PLC控制系统结构紧凑
继电器接触器控制系统使用电器多，体积大且故障率大;PLC控制系统结构紧凑，使用电器少，体积小;
(3) PLC内部全为“软接点”动作快
电器接触器控制全为机械式触点，动作慢，弧光放电严重;PLC内部全为“软接点”动作快;
(4) PLC控制功能改变极其方便
继电器接触器控制功能改变，需拆线接线乃至更换元器件，比较麻烦;PLC控制功能改变，一般只需修改程序便可，极其方便;
(5) PLC控制系统制造周期短
PLC控制系统由于结构简单紧凑，基本为软件控制，设计、施工与调试比继电器接触器控制系统周期短。
由于PLC技术是计算机控制的基础上发展而来，它的软硬件设置上有着传统的继电器接触器控制无法比拟的优势，工作可靠性极高。
3.2PLC方案的设计要点
(1) 设置滤波
在PLC中一般都在输入输出接口处设置π形滤波器，它不仅可滤除来自外界的高频干扰，还可减少内部模块之间信号的相互干扰;
(2) 设有隔离
在PLC系统中CPU和各I/O回路(主要指数字口)几乎都设有光耦合器作隔离，以防止干扰或可能损坏CPU等;
(3) 设置屏蔽
屏蔽有两类:一类是对变压器采取磁场和电场的双重屏蔽，这时要用既导磁又导电的材料作为屏蔽层;另一类是对CPU和编程器等模块仅作电磁场的屏蔽，此时可用导电的金属材料作屏蔽层;
(4) 采用模块式结构
PLC通常采用积木式结构，这便于用户检修和更换模板，在各模板上都设有故障检测电路，并用相应的指示器标志它的状态，使用户能迅速确定故障的位置;
(5) 设有联锁功能
PLC中个各输出通道之间设有联锁功能。以防止各被控对象之间误动作可能造成的事故;
(6) 设置环境检测和诊断电路
这部分电路负责对PLC的运行环境(例如电网电压、工作温度、环境的湿度等)进行检测，也完成对PLC中各模块工作状态的监测。这部分电路往往是与软件相配合工作的，以实现故障自动诊断和预报;
(7) 设置Watchdog电路
PLC中的这种电路是专门监视PLC运行进程是否按预定的顺序进行，如果PLC中发生故障或用户程序区受损，则因CPU不能按预定顺序(预定时间间隔)工作而报警;
(8) PLC的输入、输出控制简单
PLC是以扫描方式进行工作的，即PLC对信号的输入、数据的处理和控制信号的输出，分别在一个扫描周期内的不间间隔里，以批处理方式进行，这不仅使用户编程简单、不易出错，也使PLC的工作不易受到外界干扰的影响;PLC所处理的数据比较稳定，从而减少了处理中的错误;PLC的输入、输出的控制较简单，不容易产生由于时序不合适而造成的问题。
4 结束语
由于PLC在设计制造时充分考虑到工业控制的现场环境问题，并采取了多层次、多种有效措施来提高工作可靠性，采用PLC实现电机控制，特别是对工作环境条件较恶劣的工矿企业应该是一项明智之举。
一、 引言
我们是能源生产和消费大国，国民经济的发展制约于能源的生产和消费。油、煤、电是我国能源重要的组成部分。油田是产油基地，又是用电大户。多产油、少用电是油田追求的目标。为了让每个油井大限度的“各尽所能”，注水保油压是常用方法，注水泵成了油田生产的重要设备，它的正常运转和工作效率关系到整个油田的经济效益。注水泵如果直接用电网驱动，即工频、全压工作，启动电流大、电机冲击严重、油田电网电压波动大、电机转速无法根据油井具体情况进行调整，这些因素影响了注水泵正常运转，结果是故障多、维护费用高、运行效率低。注水泵变频改造势在必行。注水泵电压高，容量大，工作环境恶劣，由于长期连续工作而对可靠性要求苛刻。选择变频器要慎之又慎。2004年8月辽河油田分公司锦州采油厂老三联2＃注水泵电机安装了山东风光电子公司生产的6000V、1800KW变频器。经过4个月的试运行，已经取得很好的效果，现把变频器有关技术问题和安装前后运行情况的对比提供给读者，愿与同行交流。
二 变频器的设计及制造
客户要求的主要技术指标是：
6000V，1800KW，额定电流为230A，负载为沈阳防爆机厂生产的YB1800S2-2注水泵电机。
变频器采用功率单元串连结构，其优点是输出电平数多，波形好，能适合普通异步电动机，且不必降额使用；所需IGBT数量大，但对耐压要求不高；输入整流电路的脉冲数大，对电网污染小，功率因数高。
每相8个单元，三相共24个单元，如图1所示。所选单元数大是因为考虑到容量大、电压高，单元内的干扰较强，适当降低单元母线电压可减小单元内的干扰，对提高可靠性有利。线电压6000V，相电压为3464V，8个单元串联，每个单元输出433V，母线电压612V，采用优化SPWM设计，可将母线电压降低为约530V，变压器付边各绕组电压应为375V。考虑到变压器阻抗压降5～6％，变压器付边绕组输出采用395V，单元的母线电压空载约为560V，选1200V的IGBT模块为开关器件能满足耐压要求。
为变压器绕制于繁杂，采用18脉冲整流，输入端的谐波幅度已能满足国标规定。变压器付边的移相角度只有三种：－20°、0°、＋20°。变压器与各功率单元的联接如图2所示。
为降低整机功耗，选用低饱和压降400A的两只IGBT并联工作，可有足够的电流余量。单元电路的主电路如图3所示。旁路支路采用IGBT模块取代原先采用的晶闸管。这样驱动电路简单，有利于提高可靠性。
图1 24个功率单元串联图
图2 变压器绕组与功率单元的联接
图3 单元电路主电路
整个变频器的总体结构如图4所示。
图4 总体结构图
该变频器控制系统有一套独立的电源子系统。当主电路有故障时，控制系统供电依然正常，能保证IGBT开关次序不乱；主电路不加电、不加载的情况下，可以对整机进行调试，此时各点波形与主电路加电、加载时完全一样，只是输出电压幅度小。这对设备调试、检修和操作人员的培训十分方便；主电路高压突然断电时，电解电容及变压器绕组电感的储能不会给IGBT管构成威胁，因为控制电源还在正常工作，整个控制系统都在正常工作。
该变频器采用的是准优化SPWM调制技术，调制信号不是纯正弦信号，而是基波和三次谐波的叠加。其电压利用率接近1。三次谐波在三相平衡输出中会自动相互抵消，不会增加输出的失真度。
该变频器中采用了载波移相技术，大大抑制了输出电压的谐波成分，保证了输出波形是“完美”正弦波。
该变频器中采用光纤传输控制信号，大大提高了设备的抗干扰能力。
该变频器的用户操作监控系统界面十分友好和完善。系统包括上位机（商用PC机）、下位机（工控机）、单片机。其中单片机给用户提供一个4位LED数码屏和一个12键的小键盘操作平台，可对变频器进行全部操作，包括参数设置和各种运行指令。工控机用触摸屏和通用键盘给用户提供操作平台，其功能更齐全，包括参数设定、功能设定、运行操作、运行数据打印、故障查询等等。上位机（商用PC机）放在总控室，可对多台变频器进行遥测、遥控。若只有一台变频器，上位机可省，或让客户自定。
三．运行情况
设备安装线路如图5所示。变频供电、工频供电切换方便。
图5 设备安装线路
该设备所有配件都安装在机柜内，不需要的电抗器、滤波器、补偿电容、启动设备等外部装置，结构紧凑，安装简单，现场配线少，跳水方便；电机始终运行平稳，温升正常；电机启动时的噪音和电流非常小；在电机调速范围内，转子轴瓦的高温升允许65°C，而实测只有10°C。现场测试三相输出的电压波形、电流波形都非常标准，谐波含量极小，效率高于97％。自投运以来，设备管理人员对输入变压器的温升、功率单元的温升进行定期巡检，检查结果完全正常。
现把变频调速器安装前后耗电情况分别列于表1和表2中。
表1: 2004年 5月使用变频调速器前的耗电
表2: 2004年 8月使用变频器后的耗电情况
由表1和表2可以看出，2＃注水电机安装变频调速器前后的注水单耗从6.79 Kw?h/ m3下降到5.38Kw?h/ m3，耗电从1244246 Kw?h/ m3 下降到698215 Kw?h/ m3，不考虑其它方面的影响：
节电率＝[（安装前耗电－安装后耗电）/安装前耗电]＊100％
＝[（1244246-698215）/1244246]＊100％
＝43.88％
四．结论
设备经受住了四个月的考验。客户说，该设备运行平稳，性能可靠，简便实用，节能效果显著；改善了工作人员的工作环境，降低了值班人员的工作强度；变频调速器对电机具有软启动功能，启动时无冲击电流，减少了对电网的污染；方便了机组的保养，大大降低了维修费用，延长了机组的使用寿命，值得推广。
生产单位和使用单位将对设备进行更长时间的考查，希望变频器在注水泵类负载的应用中有更好的表现，得到更大范围的推广