摘要：電動機在驅(qū)動對象運行過程中，由于機械故障、負荷過大、電壓突然降低等原因，會出現(xiàn)突然減速或停止旋轉(zhuǎn)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，堵轉(zhuǎn)會造成電動機溫度升高，導致其絕緣加速老化，最后燒毀電動機的事故。利用PLC實現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)自動保護，能對啟動過程和正常運行過程中發(fā)生的堵轉(zhuǎn)實現(xiàn)快速保護，克服了常規(guī)堵轉(zhuǎn)保護反應速度慢和準確性差的缺點。

關(guān)鍵詞：可編程控制器；電動機；堵轉(zhuǎn)保護；定時器；運動監(jiān)測；PLC 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）03-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.040

1 概述

為了有效避免電動機堵轉(zhuǎn)造成的故障，對經(jīng)常發(fā)生堵轉(zhuǎn)的設(shè)備就要適當提高電動機功率，增加電動機的扭矩，確保電動機最大轉(zhuǎn)矩始終大于負載力矩。此外堵轉(zhuǎn)保護電路是易發(fā)生電動機堵轉(zhuǎn)設(shè)備必備的保護措施，而通常采用速度繼電器的防堵轉(zhuǎn)保護電路，由于速度繼電器自身結(jié)構(gòu)和靈敏度影響，對步進、角度等精確移動的機械設(shè)備很難進行有效的堵轉(zhuǎn)保護。筆者通過對傳統(tǒng)堵轉(zhuǎn)保護電路的分析，提出了一個適合于三相異步電動機、步進電動機和伺服電動機堵轉(zhuǎn)保護的有效方案，并在實際應用中取得了良好的效果。

2 電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)的原因

電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)的原因很多，主要是由于使用系統(tǒng)或電動機本身原因造成堵轉(zhuǎn)，比如傳動機構(gòu)由于機械原因或瞬時負荷太大超出電動機負載能力發(fā)生卡堵，使電動機轉(zhuǎn)軸被驅(qū)動設(shè)備卡死，電動機無法驅(qū)動造成堵轉(zhuǎn)；此外，電動機由于長時間大負荷運轉(zhuǎn)造成軸承磨損，出現(xiàn)電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子與定子間隙偏差過大，當轉(zhuǎn)子側(cè)向力過大時，就會造成轉(zhuǎn)子與定子接觸，過大的摩擦力使電動機轉(zhuǎn)子無法旋轉(zhuǎn)，也會發(fā)生堵轉(zhuǎn)。電動機堵轉(zhuǎn)后定子繞組將流過5～10倍的額定電流，使得定子電流快速增大，電動機內(nèi)部溫度急劇上升，破壞電動機絕緣，燒毀繞組。電動機堵轉(zhuǎn)時，電流變化迅速，這一過程會在很短時間內(nèi)發(fā)生，且這種現(xiàn)象不易被提前發(fā)現(xiàn)，對電動機的破壞十分嚴重。

為什么在電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時定子繞組會產(chǎn)生過大的電流？以三相異步電動機為例，當三相異步電動機轉(zhuǎn)動時，定子繞組形成的旋轉(zhuǎn)磁場拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子中感應電流所產(chǎn)生的磁場也在定子繞組感應出反電勢，也就是感應電動勢，起到阻止電動機定子電流增加的作用，當電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子不能旋轉(zhuǎn)，在定子中的感應反電勢也就沒有了，定子電流由于轉(zhuǎn)子感應反電勢為零而迅速升高，直至發(fā)生短路。對同步電動機和交、直流伺服電動機，同樣是通過電磁轉(zhuǎn)換將電能變?yōu)闄C械能，當上述電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，反電勢也沒有了，電動機就像接在電源中的一個電感元件，只有其自身的電阻和電感，自然電流會大大增加。為了檢驗電動機的過流性能，一般大修過的電動機都要做堵轉(zhuǎn)試驗，以校驗電動機的性能。

3 常用電動機堵轉(zhuǎn)的保護電路

電動機的堵轉(zhuǎn)保護在一定程度上可以理解為過載保護，當電動機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時表明負載突然增大，電動機輸出力矩小于負載轉(zhuǎn)矩，導致電動機不能轉(zhuǎn)動運行，但此時電動機的電流卻很大，極容易燒壞電動機，因此設(shè)置了堵轉(zhuǎn)保護電路。

一般電動機控制電路都有過載保護功能，通常電動機采用繼電器實現(xiàn)的過載保護或低壓斷路器自帶的過流繼電器實現(xiàn)的過流保護。當電動機合閘啟動后較長時間電流不能降下來，過載保護熱繼電器將動作，主電路接觸器斷開電動機的電源，它只適合于電動機長時間過負荷運行引起的溫升過高保護。對三相異步電動機堵轉(zhuǎn)保護，通常采用速度繼電器實現(xiàn)的保護，它通過時間繼電器和轉(zhuǎn)速開關(guān)的轉(zhuǎn)速接點以邏輯與的串聯(lián)關(guān)系控制接觸器線圈實現(xiàn)跳閘。在三相異步電動機主軸上連接有速度繼電器KV，在控制電路中通過速度繼電器KV動斷接點連接定時器線圈KT，電動機啟動后，隨著電動機轉(zhuǎn)速的上升，速度繼電器KV動斷觸電打開，定時器KT線圈斷電，電動機正常運行；當發(fā)生電動機堵轉(zhuǎn)時，電動機轉(zhuǎn)速迅速下降，速度繼電器KT動斷接點復位閉合，定時器KT線圈得電延時，延時時間到，通過定時器KT延時動斷接地，使接觸器KM線圈斷電，電動機停止運行，實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護。

由于速度繼電器KV的接點動作是通過內(nèi)部擺錘的慣性控制，它要求速度繼電器在一定的速度下才能動作，接點有一定的延時，并且只適合高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備。因此，這種傳統(tǒng)堵轉(zhuǎn)保護具有一定的局限性，不適合用于低速運轉(zhuǎn)、移位和角度運行的電動機、步進電動機和伺服電動機的堵轉(zhuǎn)保護。

4 PLC實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)自動保護

針對采用速度繼電器進行電動機堵轉(zhuǎn)保護存在的不足，筆者通過PLC控制解決了上述堵轉(zhuǎn)保護的問題。電動機是PLC的主要控制對象，通過外部光電傳感器的檢測信號和PLC內(nèi)部定時器、計數(shù)器等器件，編制堵轉(zhuǎn)保護控制程序，可以實現(xiàn)對低速運轉(zhuǎn)、移位和角度運行的電動機進行堵轉(zhuǎn)保護。

PLC實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護電路的主要設(shè)備有西門子S7-200（型號CPU222AC/DC/繼電器）PLC用于實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護控制，在電動機的軸端連接角度盤，并在0度開孔，使光電開關(guān)SQ在此處工作狀態(tài)發(fā)生變化，用于檢測電動機運行時的旋轉(zhuǎn)情況。當電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，光電開關(guān)SQ會停留在ON/OFF工作狀態(tài)，PLC根據(jù)檢查到的信號，通過程序判斷，確認電動機發(fā)生堵轉(zhuǎn)后發(fā)出控制命令，使電動機停止并發(fā)出報警指示。

PLC實現(xiàn)電動機堵轉(zhuǎn)保護的PLC梯形圖控制程序，PLC控制程序的工作過程如下：按下啟動按鈕SB2→輸入繼電器I0.0得電→動合觸點I0.0閉合→輸出繼電器Q0.0線圈得電→接觸器KM1吸合，電動機啟動并運行，輸出繼電器Q0.0的動合觸點Q0.0[1]自鎖，使輸出繼電器Q0.0線圈保持有電狀態(tài)。輸出繼電器Q0.0的動合觸點Q0.0[2]閉合→堵轉(zhuǎn)保護電路得電開始工作→電動機運行后，角度盤隨著電動機旋轉(zhuǎn)，光電開關(guān)由于角度盤0度孔的不斷變化，使光電開關(guān)動合觸點I0.3、動斷觸點I0.3交替閉合→定時器T110、定時器T111線圈延時時間不足→定時器T110、定時器T111的接點不能閉合→輔助繼電器線圈M0.0不得電→輔助繼電器M0.0的動斷接點始終閉合，輸出繼電器Q0.0線圈保持得電狀態(tài)→接觸器KM吸合狀態(tài)，電動機正常工作。

當發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，電機不能轉(zhuǎn)動，角度盤停留在某一個狀態(tài)，光電開關(guān)SQ會照射在角度盤的某一個位置，使光電開關(guān)SQ接點保持在一種狀態(tài)（閉合或斷開）。假定光電開關(guān)SQ照射在角度盤的非0度孔外，光電開關(guān)SQ閉合→動合觸點I0.3閉合→定時器T111線圈得電開始延時，定時器T111線圈延時時間到→定時器T111動合觸點閉合→輔助繼電器M0.0線圈得電→輔助繼電器M0.0動斷觸點斷開→輸出繼電器Q0.0線圈失電→接觸器KM1釋放，電動機停止工作，實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護；與此同時，輔助繼電器M0.0動合觸點閉合→輸出繼電器Q0.1線圈得電→報警信號燈HL亮，發(fā)出堵轉(zhuǎn)報警信號。

對低速運轉(zhuǎn)、移位和角度運行的電動機，可根據(jù)運動設(shè)備的實際運行情況，調(diào)整堵轉(zhuǎn)保護的動作時間，以達到預期的堵轉(zhuǎn)保護效果。調(diào)整堵轉(zhuǎn)保護動作時間的方法是，通過定時器T110、定時器T111延時時間進行調(diào)整，調(diào)整的方式可采用程序預置時間，即在每次向S7-200下載程序時，將堵轉(zhuǎn)保護時間設(shè)置好，在設(shè)備運行后就不能改變，只能通過再次下載程序進行調(diào)整；另一種調(diào)整方式是通過S7-200外置的模擬量調(diào)整旋鈕，進行現(xiàn)場給定，在設(shè)備停止時，調(diào)整模擬量給定旋鈕，改變堵轉(zhuǎn)保護時間，當設(shè)備運行后就按照給定的保護時間進行堵轉(zhuǎn)保護。PLC實現(xiàn)的電機堵轉(zhuǎn)保護控制方案具有很好的適用性，在保證電動機正常運行的情況下，可以有效避免由于堵轉(zhuǎn)造成的電動機損壞。

對移位和角度運行精度要求高、位移變化小的設(shè)備，為提高堵轉(zhuǎn)保護的準確性，更好保護步進電動機和伺服電動機在位移和角度運行中出現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)故障，可用旋轉(zhuǎn)編碼器代替光電開關(guān)SQ。根據(jù)編碼器輸入的脈沖信號頻率和數(shù)量，通過高速計數(shù)器指令進行比較和判斷，確定電動機是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障，并最終確定電動機是否需要停止運行。筆者通過S7-200的高速計數(shù)器指令HSC0（工作模式2，內(nèi)部方向控制單向計數(shù)器）和旋轉(zhuǎn)編碼器，對步進電動機單向運行的堵轉(zhuǎn)保護進行了實驗，當步進電動機發(fā)送堵轉(zhuǎn)時，PLC能夠迅速停止發(fā)出脈沖信號，使步進電動機停止工作，實現(xiàn)堵轉(zhuǎn)保護。

5 結(jié)語

對進行角度和位置精確移動的步進電動機、交直流伺服電動機，采樣傳統(tǒng)的堵轉(zhuǎn)保護方式很難實現(xiàn)可靠保護，當引進了PLC控制后，這一情況就大為改觀。通過對電動機運動監(jiān)測，能夠?qū)崟r觀測到電動機的運動狀態(tài)，并做出有效的判斷，這是以往采用電動機電流變化間接監(jiān)測不具備的優(yōu)勢。PLC控制系統(tǒng)由于其控制功能的豐富和完善，對傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改進有了更全面的創(chuàng)新和發(fā)展，PLC實現(xiàn)的堵轉(zhuǎn)保護在使用上更加貼近工程實例，具有很強的實用性和可操作性，PLC控制系統(tǒng)在電氣控制系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

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作者簡介：金沙（1965-），男，遼寧石化職業(yè)技術(shù)學院自動化系副教授，碩士。

（責任編輯：秦遜玉）