多功能电机启动控制器.docx
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多功能电机启动控制器
.目录
1．绪论1
2．系统设计要求及方案的选择2
2．1系统设计要求2
2．2设计题目分析2
2．3方案的选择与论证2
3．可编程逻辑控制器（PLC）的选择2
3．1PLC的特点2
3．2PLC的选型2
3．3西门子S7—200型PLC介绍2
4．电机启动控制器的设计分析2
4．1电机启动控制器硬件设计分析2
4．2电机启动控制器软件设计分析2
5．电机启动控制器硬件及软件的设计2
5．1直接启动2
5．1．1直接启动硬件设计2
5．1．2直接启动软件设计2
5．2星—三角（Y—Δ）降压启动2
5．2．1星—三角（Y—Δ）降压启动硬件设计2
5．2．2星—三角（Y—Δ）降压启动软件设计2
5．3转子串电阻启动2
5．3．1转子串电阻启动硬件设计2
5．3．2转子串电阻启动软件设计2
5．4自耦变压器降压启动2
5．4．1自耦变压器降压启动硬件设计2
5．4．2自耦变压器降压启动软件设计2
5．5电机启动控制器PLC外围接线图2
6．系统仿真及调试2
6．1直接启动软件仿真2
6．2星三角降压启动软件仿真2
6．3转子串电阻启动软件仿真2
6．4自耦变压器降压启动软件仿真2
结束语2
致谢2
附录电机启动控制器PLC控制系统STL语言程序设计2
参考文献2
1．绪论
三相交流异步电动机作为重要的动力装置，由于其简单、廉价、易维护的优点，已在很大的程度上应用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。
在电动机的发展过程中,直流电动机一直占据着统治地位，但由于它本身结构的原因，例如换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求,而渐渐的被其它类型的电动机所取代。
而交流电动机，特别是三相鼠笼式异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠等优势，在工业生产中已经得到了极其广泛的应用，也正在发挥着它越来越重要的作用。
近些年，由于国民经济的飞速发展，用电量的快速增长，对电网的稳定性提出了越来越高的要求。
保守估计，交流三相鼠笼式异步电动机的用电量占整个电网的一半以上，由此对异步电动机的控制特别是起动的控制提出了较高的要求。
虽然三相交流异步电动机在工业生产中以及在我们的日常生活中占据着它重要的作用，但是在变压器容量较小，而电动机容量较大时，电动机在启动过程中的加速转距和冲击电流对工作机械，对供电系统都会造成很大程度的影响。
这也是三相异步电动机的一个缺点。
一般的电动机在启动时，电动机的定子从电网中取用的电流约为电动机额定电流的5～7倍。
对容量较小的电动机而言，启动后需要经过几秒钟的时间来使其启动电流稳定。
在启动过程中，随着转子转速逐渐升高，流经电动机的电流迅速减小；而对于容量较大的电动机则要经过十几秒，甚至几十秒的时间，转子才能达到稳定的转速,这也就是说要等到启动结束后，电动机的电流才降为额定值左右。
如果这台电动机使用时启动次数频繁，电机则会由于启动电流的影响而发热严重，会影响电动机的正常使用寿命。
此外，如果所使用的电机启动次数虽然不频繁，当它的容量超过电源变压器容量的约30%时，由于启动电流大，会造成变压器对外供电的输电线上的电压降过大，从而影响接在同一台变压器上的其他用电设备的工作。
因而在启动时必须采取一定的措施，以限制启动电流不致过大。
由于使用电机种类不同，生产情况不同，所以电机启动方法也不同。
对于容量较大的电动机来说，有必要采取一定的措施来降低它的启动电流与启动电压，如降压启动法。
为了减小电动机启动时对生产机械和供电系统的影响，就要对电动机启动时的加速转距和冲击电流加以限制。
根据电动机的启动转距与加在定子绕组端电压的平方成正比，而电动机的定子电流与定子绕组端电压成正比。
可以通过降低电动机启动时加在定子绕组端电压达到限制其启动电流和启动转距的目的。
改变其定子绕组端电压的方法通常可以利用继电器控制系统来实现对电动机的控制。
但随着科技的发展，如今也出现了以软启动控制器和变频器控制器为启动控制器来控制电机启动的方法。
而对于容量不是很大的电动机，也可以采用直接启动的方法来启动。
对于异步电动机的启动，只要电网许可，并且启动的次数不太频繁，应尽量采用直接启动。
即将定干绕组接好后，直接接入额定电压。
采用直接启动的方法是最简单，最经济的一种方法，它不需要额外的启动设备。
如果鼠笼电动机容量相对较大，为限制它的启动电流，一般采用降压启动。
降压启动是在电动机启动时不给电机加上额定电压，而是加上一个较低的电压,这样可以大大降低启动电流。
常用的降压方法有Y-△启动、自耦变压器降压启动、转子串电阻启动。
其中Y-△启动这种方法用的相对比较多，它可用于风机、水泵等启动负载较小的电机上。
异步电动机在启动时如果要带较重负载，为限制启动电流，采用定子接额定电压而转子电路中串入电阻或频敏变阻器。
这种方法既能减小启动电流，又可增大启动转矩。
综上所述，随着电气控制的发展，电机启动控制器的发展也会越来越先进，这也必将加快电机启动控制器不断革新的步伐。
同时作为控制模块的PLC，由于它所具有的优良特点。
也将促进PLC技术的发展。
进入21世纪时，电机启动控制器也将向更低功耗以及高功能化的方向发展。
2．系统设计要求及方案的选择
2．1系统设计要求
所谓三相异步电动机的启动过程是指三相异步电动机从接入电网开始转动时起，到达额定转速为止这一段过程。
根据电动机的启动特性可知，三相异步电动机在启动时启动转矩并不大，但转子绕组中的电流却很大，通常可达额定电流的5～7倍，从而使得定子绕组中的电流增大为额定电流的5～7倍。
这么大的启动电流将带来下述不良后果。
1）启动电流过大使电压损失过大，启动转矩不够使电动机根本无法启动。
2）使电动机绕组发热，绝缘老化，从而缩短了电动机的使用寿命。
3）造成过流保护装置误动作、跳闸。
4）使电网电压产生波动，进而影响连接在电网上的其他设备的正常运行。
因此，电动机启动时，在保证一定大小的启动转矩的前提下，还要求限制启动电流在允许的启动范围内。
所以，在该设计中所要达到的要求是，根据所带负载的不同，在一台异步电动机上，通过控制模块控制不同的启动按钮，按下按钮，便在相应的启动方式之间相互切换，最大限度的使电动机运行在最佳的运行状态。
同时，在电动机启动时，还应该在主回路中加上一定的保护，用于保护电动机。
2．2设计题目分析
通过以上的分析，在本系统中，为了让电动机能够正常的运行，在以下进行设计的时候，要用到若干个交流接触器通过控制模块来使得电动机能够按照一定的启动方式来启动。
对于电动机的启动方式有很多种，比如说变频器启动、软启动、直接启动、降压启动等。
综合考虑以上的几种启动方法，对于该系统的设计要求，只需要用到以下几种启动方法即可，即直接启动、自耦变压器降压启动、星—三角（Y—Δ）降压启动、转子串电阻启动。
以上所选的几种启动方法，它们涵盖了电机启动控制方法相对来说比较广泛的一个范围。
通过以上对题目的分析及根据设计要求，该系统具有的四个启动按钮，一个停止按钮。
要想让电动机在某种特定的启动方式下运行，只需要按下与其相对应的启动按钮，此时便能让电动机运行于该启动方式下。
在电动机刚启动时或者在其运行过程中，如若按下了停止按钮，电动机便会因为断电而停止运行。
2．3方案的选择与论证
对于该多功能电机启动控制器的设计，根据所选择的方法的不同，现可以初步的提供以下两种方案来供选择。
方案一：
用单片机作为控制系统来实现对多功能电机启动控制器的设计。
根据该设计题目的要求，现可以用单片机的若干个端口来控制相应的启动方式的启动按钮，以达到对各种启动方式的控制。
方案二：
用PLC作为控制系统来实现对多功能电机启动控制器的设计。
根据该设计题目的要求，可用PLC作为控制模块，用其I/O口来控制各种启动方式的启动按钮。
从而达到对该启动控制器的设计要求。
以上的两种方案，它们各有优缺点。
对于方案一：
用单片机作为控制系统来实现该设计，其系统硬件的设计相对比较复杂,系统的抗干扰能力也相对较差，系统的可靠性和稳定性难以得到保证。
另外，如若采用单片机作为主控系统,还需要自己设计电源，而且不能保证系统的长时间可靠运行。
维护相对比较麻烦，维修所需要的时间也相对较长。
而对于方案二：
用PLC作为控制系统的多功能电机启动控制器，相对于用单片机作为控制系统来说，因为PLC的抗干扰能力强，可靠性高，编程简单，性价比高，而且它在工业控制领域的应用也很广泛。
通过以上对两种方案的分析比较并结合实际的条件，最终选择了方案二，即用PLC作为多功能电机启动器的控制系统。
3．可编程逻辑控制器（PLC）的选择
3．1PLC的特点
1）高可靠性、抗干扰能力强
2）配套齐全,适应性强,应用灵活
3）编程方便,易于使用
4）功能强,扩展能力强,性价比高
5）PLC控制系统设计、安装、调试方便
6）维修方便，维修工作量小
7）PLC体积小、能耗低、易于实现机电一体化
3．2PLC的选型
当某一个控制任务决定由PLC来完成后，PLC的选择就成为了一件比较重要的事情。
对于该问题，首先要做的便是对控制任务进行详细的分析，把所有的I/O点找出来，包括开关量I/O和模拟量I/O以及输出是用继电器还是晶体管。
如果他们之中既有交流220V的接触器、电磁阀，又有24V的指示灯，则最后选用的PLC的输出点数有可能大于实际点数。
因为PLC的输出点一般是几个一组共用一个公共端，这一组输出只能有一种电源的种类和等级。
所以一旦它们为交流220V的负载使用。
则直流24V的负载只能使用其它的输出端了。
这样有可能造成输出点浪费，增加成本。
所以要尽可能选择相同等级和种类的负载，比如使用交流220V的指示灯等。
一般情况下继电器输出的PLC使用最多，但对于要求高速输出的情况，就要使用无触点的晶体管输出的PLC了。
PLC一般都具有常规的功能，但对某些特殊要求，就有必要知道所选用的PLC是否有能力控制任务。
如PLC与PLC、PLC与智能仪表及上位机之间是否有灵活方便的通信要求，或对PLC的计算速度、用户程序容量等有特殊要求，以及对PLC的位置控制有否特殊要求等。
这就要求用户对现今比较流行的PLC有一个比较详细的了解，以便合理的选择出需要的PLC。
现在市面上的PLC的种类比较多,但是用户用的较多的还是西门子、欧姆龙、三菱这三种PLC。
不同厂家生产的PLC，其产品价格相差很大，有些功能类似、质量相当、I/O点数相当的PLC的价格能相差40%以上。
以上的三种PLC各有各的特点，如三菱PLC性价比较好，多数用于顺序控制或是伺服控制系统中；西门子PLC多用于大型工业控制，自动化设备中，其数据处理性能比较好，通信能力也很强；欧姆龙PLC相对于三菱PLC来说，价钱稍高点，多用于顺序控制或是伺服控制系统中。
在此，初步的选定相对来说比较熟悉的西门子PLC，型号为S7-200系列。
3．3西门子S7—200型PLC介绍
S7-200系列PLC是西门子公司在20世纪90年代推出的整体式小型可编程控制器。
它提供了5种不同的基本单元（CPU），型号为CPU221、CPU222、CPU224、CPU226及CPU226XM，不同型号的CPU内部芯片基本相同，实际安装的输入输出及通信接口数量不同。
每种单元有220V供电及直流24V供电两种供电安排，每种CPU又有继电器、晶体管输出两种输出形式。
S7-200系列提供多种规格的扩展单元及智能模块，如数字量输入或输出扩展单元，模拟量扩展单元，定位控制及各种通信模块。
对于S7-200系列PLC，它的接线端子位于机身的上下两侧，用于连接输入、输出器件及电源。
而用作通讯的RS-485接口在机身的左下部，另外，它还有用于连接扩展单元的扩展接口，并设有模式选择开关，具有RUN/STOP及TERM三种状态。
22X系列的CPU具有很强的功能，如自带高速计数器、自带通讯口、具有脉冲输出功能、具有实时时钟、能进行浮点运算等。
通过对本系统初步的设计分析，并根据该系统实际所用的I/O口数量（5个输入口,5个输出口），最终选择了西门子S7-200（CPU222）继电器型PLC
。
该型号的PLC拥有8个输入口，6个输入口，完全符合本系统的设计要求。
____________________________________
继电器型PLC输出点直流、交流负载都可以接，直流电压范围为：
5~30VDC、交流电压范围为：
5~250VAC、每点最大电流为2.0A。
4．电机启动控制器的设计分析
在进行本设计之前，为了能够更好的对该系统进行设计，首先应该对电机启动控制器的软硬件作一个简单的分析。
4．1电机启动控制器硬件设计分析
如下图1所示为电机启动控制器的硬件设计框图。
图1电机启动控制器的硬件设计框图
从上图中可以看到，在本设计中通过西门子的S7—200型PLC来控制几个启动控制按钮，以此来控制本设计中所涉及到的几种启动方式。
从而实现各种启动方式对异步电动机的启动控制。
同样，在上图中还有一个停止按钮，以便实现随时对异步电动机断电，从而停止电动机的启动运行。
在进行设计时，值得注意的一点是，在各种启动方式的启动控制按钮之间应该采取一定的措施使它们互锁，以避免在多个启动按钮先后按下后，电机还能运行，这样可能会对电机造成损坏。
上图中的急停按钮是作为整个电路的紧急停止按钮（在本系统中并未对其进行相应的设计说明），在电机异常运行的时候，按下该按钮，则电机停止运行。
通过对该设计的初步设计分析，在设计硬件电路的时候会出现以下的一些符号,以下便给出了它们的含义，如下表1所示：
表1电路图中符号含义表
符号名称
电路图中的含义
PLC或程序中的表示方法
S1
直接启动控制方式启动控制按钮
I0.1
S2
星三角降压启动控制方式启动控制按钮
I0.2
S3
转子串电阻启动控制方式启动控制按钮
I0.3
S4
自耦变压器降压启动控制方式启动控制按钮
I0.4
SB1
电机停止按钮
I0.0
KM1
交流接触器KM1，用于直接启动、星三角启动、自耦变压器降压启动电路中
Q0.0
KM2
交流接触器KM2，用于星三角启动电路主电路中
程序中用M10.0来表示
KM3
交流接触器KM3，用于星三角启动电路中，用作星三角的转换
Q0.1,Q0.2
KM4
交流接触器KM4，用于转子串电阻启动电路中，用于将电阻串接入电路，实现转子串电阻启动
Q0.3
KM5
交流接触器KM5，用于自耦变压器降压启动电路中，用于将自耦变压器串入电路，实现自耦变压器降压启动
Q0.4
KT1
时间继电器KT1，用于星三角启动电路中
T37
KT2
时间继电器KT2，用于转子串电阻启动电路中
T38
KT3
时间继电器KT3，用于自耦变压器降压启动电路中
T39
上表1中S1、S2、S3、S4这几个开关分别作为直接启动、星—三角（Y—Δ）降压启动、转子串电阻启动、自耦变压器降压启动这几种启动方法的启动控制按钮。
但同时，为了避免在两个按钮或者更多的按钮按下时，电动机还在运行，它们的常闭辅助触点还作为在其它的三种启动控制电路中的互锁开关。
在整个电路中，如若按下了停止按钮SB1，则不管是S1-S4中的哪个按钮按下，电动机都将停止启动运行。
另外,为了避免交流接触器与PLC的输出端口直接接在一起可能引起PLC的损坏,因此在PLC的输出端上加上中间继电器，再接到交流接触器上，它起到了保护隔离交流接触器的作用。
4．2电机启动控制器软件设计分析
对于软件部分，在硬件设计的基础上，最后确定了该设计的软件部分为了四个部分。
如下图2所示为该系统软件设计部分的程序流程图。
初始化程序部分，将在附录中给出。
图2电机启动控制器程序流程图
在对该系统进行设计以前，首先应该对其I/O口进行分配，以便与硬件中的相关部分对应。
如下表2所示为多功能电机启动控制器的I/O口分配表。
表2多功能电机启动控制器I/O口分配表
输入量
作用
输出量
作用
I0.1
直接启动控制方式启动控制按钮
Q0.0
电动机直接启动，同时也作为转子串电阻启动、自耦变压器降压启动的全压启动
I0.2
星三角降压启动控制方式启动控制按钮
Q0.1
电动机星形接法启动
I0.3
转子串电阻启动控制方式启动控制按钮
Q0.2
电动机以三角形接法运行
I0.4
自耦变压器降压启动控制方式启动控制按钮
Q0.3
转子串电阻启动
I0.0
电动机停止按钮
Q0.4
自耦变压器降压启动
如上表所示为该系统的I/O口分配表，为了让程序的可读性更高一些，在程序中加入了几个线圈作为接触器来控制电动机的运行。
其中，KM1可分别作为直接启动、星三角启动、自耦变压器降压启动中的接触器来使用；KM3的常闭触点作为星三角启动中的三角形启动触点，常开触点则作为星形启动的触点。
在进行程序编写的时候还用到了若干个中间继电器，它们的作用是对与之相对应的交流接触器起到隔离保护作用。
5．电机启动控制器硬件及软件的设计
在本设计中，将该电机启动控制器分为以下几个部分：
1）直接启动硬件设计及其相关软件设计；
2）星—三角（Y—Δ）降压启动硬件设计及其相关软件设计；
3）转子串电阻启动硬件设计及其相关软件设计；
4）自耦变压器降压启动硬件设计及其相关软件设计。
通过以上对电机启动控制器的软硬件的初步设计与分析，现分别对它们进行更深层次的分析，并在分析后给出详细的软硬件设计方案。
5．1直接启动
当电动机采用直接启动时加在电动机定子绕组上的电压为额定电压。
对于三相异步电动机，在以下情况下可以采用直接启动：
1）容量在7.5KW以下的小容量电动机；
2）电动机在启动瞬间造成的电网电压降不大于电源电压正常值的10%，对于不常启动的电动机可放宽到15%；
3）对于频繁起动电动机：
电动机容量/供电变压器容量<20%；对于不频繁起动电动机：
电动机容量/供电变压器容量<30%
以上的条件只要满足其中的一条就可以采用直接启动的方式来启动异步电动机。
5．1．1直接启动硬件设计
通过分析，现对直接启动方式进行相关的硬件设计，如下图3所示为电机直接启动的控制电路图。
图3直接启动控制电路图
启动时合上空气开关QS，按下启动按钮S1（I0.1控制），控制电路接通，接触器KM1得电开始动作，其主触点闭合，接通主电路，电动机启动；同时，常开辅助触点KM1也闭合，将启动按钮S1两端短接，形成自锁，此时即使放开S1，电机也不会停止运行。
若要让电动机停止运行，可以按下停止按钮SB1（I0.0控制），这时电机便会因为断电而停止运行。
图中的FR为热继电器。
它的作用是防止电动机因长期超载运行导致电机绕组的温升超过允许值而造成损坏。
5．1．2直接启动软件设计
通过前面对直接启动的分析及硬件电路图的设计，现用编程软件编写出直接启动PLC的控制程序，程序如下：
梯形图：
程序分析：
按下启动按钮I0.1,中间继电器M10.5得电（KM1线圈），从而线圈Q0.0得电，使得电动机进入直接启动状态。
在程序中也出现另外两个中间继电器M10.2与M10.4，它们分别作为转子串电阻启动与自耦变压器降压启动中的全压启动。
I0.0为电机停止按钮。
5．2星—三角（Y—Δ）降压启动
电机启动时，接成星形，加在每相定子绕组上的启动电压只有三角形接法直接启动时的
，启动电流为直接采用三角形接法时的1/3，启动转矩也只有三角形接法直接启动时的1/3，所以这种降压启动方法,只适用于轻载或空载下的启动。
并且它只能适用于接法为三角形接法的电机。
5．2．1星—三角（Y—Δ）降压启动硬件设计
通过对星—三角（Y—Δ）降压启动的分析，现对其进行相应的硬件设计，如下图4所示为星—三角（Y—Δ）降压启动的硬件电路图
图4星—三角（Y—Δ）降压启动控制电路图
启动时合上空气开关QS，按下启动按钮S2（I0.2控制），接触器KM2得电，其触点动作，从而使得S2进入自锁状态，接着时间继电器KT1得电动作，同时由于时间继电器KT1通电延时断开触点的作用，使得接触器KM3得电，其常开触点动作，主电路接通，电机进入星形启动状态，当时间继电器延时时间到了之后，其通电延时断开触点断开，使得接触器KM3失电，其常闭触点闭合，使得电机进入三角形接法状态运行。
此时，电机进入稳定运行状态。
为了保证该启动方式的稳定运行，在进行硬件设计时应该使异步电动机接入星形与三角形的触点分别为KM3的常开触点与常闭触点。
这样便可以实现用一个接触器来实现电动机星三角启动的切换。
若要让电动机停止运行，可以按下停止按钮SB1（I0.0控制），这时电机便会因为断电而停止运行。
图中的FR为热继电器。
它的作用是防止电动机因长期超载运行导致电机绕组的温升超过允许值而造成损坏。
5．2．2星—三角（Y—Δ）降压启动软件设计
通过前面对星—三角（Y—Δ）降压启动的分析与电路图设计，下面给出了由西门子编程软件所写出的星—三角（Y—Δ）降压启动的相关程序，程序如下：
梯形图：
程序分析：
按下启动按钮I0.2，中间继电器M10.0得电，从而定时器T37得电，在其通电延时断开触点的作用下，Q0.1（KM3常开触点）得电，使电机进入星形启动状态。
定时时间到后，在其通电延时闭合触点的作用下，Q0.2（KM3常闭触点）得电，使得电机进入三角形运行状态。
5．3转子串电阻启动
三相异步电动机启动时，在电动机定子电路中串入电阻或电抗器，使加到电动机定子绕组端的电压降低，减少了电动机上的启动电流。
对异步电动机，转子绕组通过滑环与电阻连接。
外部串接电阻相当于转子绕组的内阻增加了，减小了转子绕组的感应电流。
从某个角度讲，电动机又像是一个变压器，二次电流小，相当于变压器一次绕组的电动机励磁绕组电流就相应减小。
根据电动机的特性，转子串接电阻会降低电动机的转速，提高转动力矩，有很好的启动性能。
5．3．1转子串电阻启动硬件设计
通过对转子串电阻启动的分析，现对其硬件作相应的设计，如下图5所示为转子串电阻启动方式的启动控制电路图。
图5转子串电阻启动电路图
启动时，首先合上空气开关QS，按下启动按钮S3（I0.3控制），此时接触器KM4得电，其常开辅助触点对S3形成自锁。
同时时间继电器KT2也得电开始计时，电动机转子串入电阻启动。
当KT2计时时间到了后，其通电延时闭合触点闭合，使得接触器KM1得电，触点动作，从而将KM4短接掉（即将电阻从启动电路中切除掉），使电机进入全压运行状态。
若要使得电机停止运行，可以按下停止按钮SB1（I0.0控制）。
图中的FR为热继电器。
它的作用是防止电动机因长期超载运行导致电机绕组的温升超过允许值而造成损坏。
5．3．2转子串电阻启动软件设计
通过前面对转子串电阻启动的分析与电路图设计，下面给出了由西门子编程软件所写出的转子串电阻启动的相关程序，程序如下：
梯形图：
程序分析：
按下启动按钮I0.3，中间继电器M10.1得电，从而使得时间继电器T38与线圈Q0.3得电，从而使得电动机进入转子串电阻启动状态。
当定时时间到后，中间继电器M10.2得电，此时，线圈Q0.0得电，电动机进入全压运行状态。
5．4自耦变压器降压启动
自耦变压器降压启动是利用自耦变压器降低电动机端电压的启动方法，自耦变压器一般由两组抽头可以得到不同的输出电压（一般为电源电压的80％和65％），启动时使自耦变压器中的一组抽头接在电动机的回路中，当电
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