软启动器在聚氨酯树脂反应釜控制系统的研究与应用

王华强 张 彪

(合肥工业大学电气与自动化工程学院，合肥 230009)

软启动器采用平滑缓慢的启动运行方式[1]，启动过程无冲击转矩，冲击电流小，是一种集电机软启/停及节能等多重保护功能于一体的新型动力控制设备。笔者考虑到聚氨酯树脂反应釜的工艺要求，同时结合控制系统的安全性、稳定性和经济性，决定选择ABB软启动器控制釜电机的运行。

1 软启动器①

笔者采用软启动器拖动反应釜运行，并对现场实时数据进行采集，利用Modbus-RTU协议与S7-300PLC进行通信，最后通过上位机IPC上的组态王进行全程显示监控(图1)。

图1 系统结构示意图

软启动器主电路采用三相晶闸管反并联调压方式。启动时，提高晶闸管输出电压，控制晶闸管触发角α，逐渐升高电机的端电压，使电机转速平滑增加，当晶闸管全导通时，转速平滑上升至额定转速；启动结束时，软启动器停止工作并被切换，旁路接触器自动吸合为电动机提供正常运转所需的电压[2]。

软启动器的启动方式必须根据实际情况选择，通用的4种启动方式如下：

a. 斜坡升压软启动(图2a)。启动后，电压迅速上升至启动电压U0，然后在斜坡电压作用下逐步增加，斜坡时间t1后，电压升至电源电压Um，启动结束[3]。该方式最简单，但不限流。

b. 斜坡恒流软启动(图2b)。启动时，在时间t内，电流迅速增加，当电流达到设定值Im后保持不变，此时输出电压持续增大；当电机持续加速至额定转速时，旁路接触器吸合取代软启动器，电流恢复到额定值IN[4]。应该方式应用最广泛，笔者采用的就是该方式。

c. 阶跃启动(图2c)。启动后，在极短的时间t内，电流阶跃式增加，迅速上升到电流限幅值Ist后保持恒定；电机逐渐加速至额定转速，启动结束，电流下降到额定值IN。

d. 脉冲冲击启动(图2d)。在启动阶段，在较短时间内用大电流导通晶闸管一段时间后，降低电流，施加脉冲电压使转矩突然增大，克服大负载的制动转矩Tf；然后电机转矩按原设定值Tst平滑上升，直到启动结束。该方式可有效缩短启动时间[5]。

a. 斜坡升压软启动 b. 斜坡恒流软启动 c. 阶跃启动 d. 脉冲冲击启动

软启动器的保护功能主要有：过载保护功能，防止短路或过载故障发生；缺相保护功能，防止出现缺相断流情况；过热保护功能，防止电机或晶闸管温度过限[6]。

2 软启动器的控制系统设计

根据控制要求和现场实际工艺需求，采用主、备两台型号为PST175-600-70的ABB软启动器拖动电机运行，额定电流为175A，额定功率为90kW。

2.1 主控电路的设计

系统的主控电路如图3所示，选择两个三相倒顺闸刀2DK1、2DK2进行主备转换，整个电路电源通断由断路器2QF1控制，2QF2控制主用软启动器供电电路，2QF3控制备用软启动器供电电路。为了防止电机和线路发生过载，热继电器2FR作为延时限流保护装置。

图3 系统主控电路

2.2 软启动器拖动设计

各反应釜的主、备软启动器设计选型和参数设置都一样，此处以11#反应釜主用软启动器为例进行分析。软启动器拖动电机电路设计如图4所示，具体的电气接线方式如下：

a. 将ABB软启动器接在主回路中。操作软启动器时必须保证接地端子接地，否则不允许操作软启动器。

b. PST175-600-70软启动器本身没有旁路接触器，因此需加装外置旁路接触器。在软启动器运行、继电器2KA2的常开触点闭合后，旁路交流接触器2KM1-1得电，其常开触点闭合；当系统发生过载保护时，继电器2KA5的常闭触点断开，旁路交流接触器失电，其常开触点断开。

c. 通过软启动器端子1、2对控制回路进行供电，电压为100～250V，频率为50～60Hz。功能接地接在软启动器旁的安装板上最合适，且电缆尽可能短，不能超过0.5m。

d. 软启动器启动和停止电源由内部自锁电路提供。带灯按钮2SB1作为启动按钮，带灯按钮2SB2作为停止按钮，并连接在端子上，且这些接线端子只能连接24V电压。

e. 电源2L1接端子16、19；运行继电器2KA2一端接电源2N1，一端接端子17；故障继电器2KA1一端接电源2N1，一端接端子20。当发生故障时，2KA1的常开触点闭合进行电铃报警，同时故障指示灯亮。

f. 2HL1为电源指示灯，2HL2为故障指示灯，2HL3为全压指示灯。3个熔断器(2FU1、2FU2、2FU3)的主要作用是防止所在线路短路。

g. 将软启动器模拟量输出设置为4～20mA，表示电机电流的0%～100%，并将数据信息传送到PLC，最后通过上位机IPC上的组态王显示。

图4 软启动器拖动电机电路

2.3 软启动器参数设置及通信

PST175-600-70软启动器可以通过键盘、总线通信和外部键盘进行参数设置，本系统软启动的应用类型选为搅拌机。软启动器的主要参数设置如下：

设定电流 175A

电机过载类别 10

旁路监测 是

启动模式 电流

升压时间 20s

限流倍数 4

初始电压 35%～40%

电机过载保护 双重

三项失衡保护 是

大电流报警值 1.2×ie(额定电流的1.2倍)

SCR过载保护 是

模拟量输出 是

模拟量输出范围 4～20mA

模拟量输出类型 电机电流

显示语言 汉语

本反应釜控制系统采用S7-300PLC CPU314，机架上有负载电源模块、以太网通信模块、串行通信处理模块和I/O模块。ABB软启动器选用Modbus-RTU协议，通过串行通信处理模块与PLC进行通信，PLC通过CP343-1模块与多台上位机通过交换机构成以太网网络进行通信，上位机上的组态王实时读取数据并显示监控。

3 结果分析

上位机通过通信获得电机运行实时数据，然后利用组态王软件设计工艺界面、曲线界面(图5a)和归档界面(图5b)，从而实现对整个聚氨酯树脂反应釜控制系统的全程监控。

通过该曲线界面可以实时监控反应釜电机电流、釜电机转速、反应釜温度和累加重量。工作人员可以根据此界面做出工艺判断：通过显示温度决定是否需要采取降温措施；通过累加重量判断各种物料下料重量是否正确；通过电机电流和电机转速曲线判断该产品是否达到工艺要求，是否生产成功。

a. 曲线界面 b. 归档界面

通过归档界面左边报表可以对控制系统的重要数据进行归档存储，该报表存储数据包括时间日期、物料名称、本次下料重量、反应釜温度、电机电流和电机转速。同时也可以通过该界面右边报表调入前期生产的归档报表进行查询[7]。工厂技术人员通过归档报表可以明晰整个生产过程操作和反应釜运行状况。

4 结束语

通过对软启动器的原理、启动方式和保护功能的全面分析，发现软启动器既能克服传统方式的不足，又能使系统控制功能更加完善，动力设备控制更加有效，从而使得系统运行更加稳定、可靠。随着现代电力电子技术和现代控制技术的不断进步，软启动器的技术将更加成熟，性能更加稳定，功能更加全面。