异步电动机变频调速一拖二控制技巧

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采用一台电动机变频运行，另一台电动机作备用；当变频器故障时能切换至工频运行，通过调节阀门开度调节流量，满足工艺要求的方案也不理想。为此考 虑采用一台西门子变频器带两台电机，并与西门子S7-200系列plc、继电器配合实现电动机的起动、调速、切换控制，即变频一拖二控制。通常情况下，一台电机变频运行，另一台作备用。一般，变频故障切换旋钮在投入位置，当变频器故障时，当前运行的电机能自动切换到工频运行；这时变频控制回路可以退出，方便了维修。
为了达到生产过程自动化的要求，根据公司电气设备现状，拟将两台110 kW 电机控制系统进行改造。采用一台变频器分别拖动两台电机，并与可编程控制器PLC、继电器有机组合，实现自动控制（变频一拖二控制）。
1 设计原理
1.1 主回路设计方案
如图1，两台110 kW 异步电动机MA、MB，每台电机有工频、变频两种运行方式，两台电机共用一台变频器。正常运行时为一开一备，一台电机变频运行，另一台电机作备用。总电源开关QF出口分两路,一路供工频电，又分支两路(二、三回路)分别供电机MA、MB 工频控制;另一路供变频器，其输出也分支两路(一、四回路)分别供电机MA、MB。由于变频器自身具有热保护功能，所以变频一、四回路不再外接热过载继电器，而在工频二、三回路加设电动机保护器FH。并在电机MA、MB回路装电流互感器CT，外接电流表以监测电机的运行电流。考虑到从变频器到电机电缆线路较长，变频器运行时将产生较强的高次谐波，对电机运行不利。因此，在变频器主出线侧装电抗器来抑制谐波的
影响。
由于电机一般运行在变频状态下，工频状态只是在变频器故障时运行。从安全运行的角度考虑，控制回路电源取自工频空气开关2QF、3QF 下口较为理想，如图示La、Lb。这样在变频回路故障、检修停电更换元器件时，控制电源不受影响，确保工业生产的稳定运行。同理，在变频电源侧装一只400 A的隔离开关GK，保证在变频器故障下能断开变频侧主回路电源，以便变频器维修而不影响电机工频运行。
我公司使用的变频器类型较多，有西门子、ABB、施耐德、日产、国产的等。由于对西门子变频器的原理、参数、技术特性、故障处理较为熟悉，并且西门子变频器质量较好、运行较为稳定，因此变频器选型为西门子ECO1-110K/3 型。其端子5、9 接“变频器起停”信号，端子19、20 为“变频器故障”继电器5K输出端，端子21、22 为“变频器运行”继电器6K 输出端,端子3、4 接模拟量输入（4～20 m A）, 端子12、13接模拟量输出。并且保证变频器可靠接地。
1.2 控制回路设计方案
1.2.1 MA电机控制回路
如图2 所示，控制回路电源采用AC 220 V，MA电机有变频、工频两套回路，停止按钮共用，启动按钮各自设置。并保证变频回路（变频器、PLC 等）故障时能启动工频回路运行。
变频回路为了实现自动控制，选用中间继电器1K，作MA电机的启动信号。将1K的常开接点引至PLC输入端。为了保证安全运行，MA 变频回路须与MB 回路互锁，即接入2 KM、4 KM 接触器动断辅助触点。当CPU检测到MA变频启动各信号正常时，中间继电器3K 得电，其动合接点闭合，MA变频接触器1KM闭合。
工频回路MA 工频控制回路须与MA 变频回路互锁，即串接1KM一常闭接点。在启动按钮两端并接工频接触器2KM 一组常开接点，作为自锁保护。可直接工频启动MA 电机。在启动按钮两侧再并接继电器7K 一动合接点，可实现PLC 程序控制启动MA工频回路。
以上回路必须保证各回路间的互锁，确保只有一台电机在一种状态下运行。
1.2.2 MB电机控制回路
如图3，控制回路与MA控制回路相似。
工频回路MB工频控制回路须与MB变频回路互锁，即串接4KM一常闭接点。在启动按钮两端并接工频接触器3KM一组常开接点，作为自锁保护。可直接工频启动MB电机。在启动按钮两侧再并接继电器8K一动合接点，可实现PLC 程序控制启动MB工频回路。
变频回路为实现自动控制，选用中间继电器2K，作MB 电机的启动信号。将2K的常开接点引至PLC 输入端。为了保证安全运行，MB变频回路须与MA 回路互锁，即接入1KM、3KM接触器动断辅助触点。当CPU检测到MB变频启动各信号正常时，中间继电器4K得电，其动合接点闭合，MB 变频接触器4KM闭合。
1.2.3 可编程控制器PLC选型及设计方案
如图4 所示，可编程控制器（PLC）选型为西门子S7-200 系列，CPU 为224，它具有15 路直流24V 输入，9 路继电器（~220V）输出，能满足设计要求。原理接线如图5 所示。I0. 0~I0. 7、I1.
0~I1.5 为输入端子，Q0.0~Q0.7、Q1.0、Q1.1 为输出端子。
I0.0 接1KM 启动信号（中间继电器1K的动合触点）;
1）MA变频I0.1 接4KM 启动信号（中间继电器2K 的动合触点）;
2）MB变频I0.2 接1KM 闭合信号（接触器1KM 的动合触点）;
3）MA变频I0.3接4KM闭合信号（接触器4KM的动合触点）;
4）MB变频转换开关1SA作为A 泵变频故障时自动切换至A泵工频运行信号，正常运行时取其常开接点，接至I0.4。
转换开关2SA作为B泵变频故障时自动切换至B泵工频运行信号，正常运行时取其常开接点，接至I0.5。
I1.0接2KM闭合信号（接触器2KM的动合触点）1)MA工频I1.0接4KM 闭合信号（接触器4KM
的动合触点）;
2)MB工频端子I1.0、I1.1 分别接变频器故障信号（继电器5K的动合接点）、变频器运行信号（继电器6K的动合接点）。
直流24V电源采用CPU224的内置直流24V电源。
输出端子Q0.0接继电器3K, 控制MA 电机1KM变频启动。Q0.1接红色指示灯3HD，作为A泵故障切
换指示。Q0.2接继电器7K ,控制MB电机2KM工频启动。同理，输出端子Q0.4、Q0.5、Q0.6 分别接继电器4K、指示灯4HD、继电器8K，作为MB 电机变频、工频启动控制。
端子Q0.7、3L分别接变频器端子5、9 ，作为变频器起停控制信号。#p#分页标题#e#
1.2.4 变频一拖二控制原理
为了保证变频器的安全运行，电机在变频启动时，应先使变频器下口回路接通（接触器吸合），然后再使变频器起停置位，变频运行。电机在变频停机时，应先停变频器，再断开接触器。
1) MA电机变频过程
(1)启动　按下启动按钮1QA或3QA，中间继电器1K 得电吸合，同时控制回路通过1K动合接点自锁。获得1KM 启动信号，PLC I0.0 输入其常开接点闭合，PLC检测到无MA 工频运行信号、MB 变频运行信号、变频故障信号，且有正跳沿触发时，Q0.0 置位输出，继电器3K 得电吸合，其常开触点闭合，接触器1KM 线圈得电吸合,MA变频启动。此时若变频器无故障，PLC输出端Q0.7 置位，即“变频起停”置位，频率升至设定值，电机MA变频运行开始。
(2)停机　按下停止按钮TA,继电器1K 失电1KM启动信号消失。PLC检测到负跳沿时，“变频起停”复位，频率逐渐降为零。接通内部定时器T37延时1s后，输出端Q0.0复位，3K失电，接触器1KM 断开，MA变频停机。
(3) 电机MA 变频故障自动切换工频过程检测　到变频器故障信号（5K 闭合I0.3 置位）、MA自动切换信号(1SA 闭合I0.4 置位)、1KM 闭合信号（I0.2 置位）或启动信号（I0.0置位）时，存储器M0.0置位、输出Q0.7复位（变频起停复位）、Q0.0 复位1KM 断开，MA 变频停机。A泵切换指示灯3HD亮，Q0.2置位、继电器7K 吸合接通MA 工频控制回路、接触器2KM 吸合，MA工频运行。将转换开关SA旋至断开位置，Q0.1 复位3HD灯灭。
（4）MA 变频故障自动停机PLC 检测到变频器故障信号、有1KM 启动或闭合信号、无MA 变频故障自动切换信号时，Q0.7变频起停复位，Q0.0 复位，1KM断开，MA故障停机。
2）MA电机工频过程
若接触器1KM未吸合,则按下启动按钮2QA，MA工频控制回路接通，接触器2KM 吸合，同时2KM 一组常开辅助触点闭合自锁，MA工频直接起动、运行。按下停止按钮TA或电机保护器1FH动作，控制回路断开，接触器2KM断开，MA工频停机。
MB电机变频、工频过程与MA电机类似，具体控制过程在PLC 主程序及程序说明中亦有详细的论述，在此不在赘述。
2 结语
通过对变频一拖二控制系统设计，将变频器、可编程控制器、继电器等有机结合，并通过合理的程序控制来满足生产工艺操作要求。此系统运行维护安全、操作简便，适于在电力拖动系统推广应用。