西门子PLC在高压固态软起动器中的应用
摘要：首先介绍了软起动的状况以及高压固态软起动工作原理。通过使用西门子S7-200可编程逻辑控制编程实现不同起动方式下的三相可控硅触发角给定模拟信号，利用市场上成熟的三相晶闸管移相触发模块接收PLC给定的模拟信号后按照相对应的触发角输出六路脉冲列，然后通过光纤技术传送脉冲信号触发可控硅阀主件从而实现电机软启动效果，同时也很好的解决了高压隔离问题，本文还重点介绍到可控硅触发取能问题。
关键词：软启动；PLC；晶闸管移相触发；光纤触发
随着我国工业的快速增长，三相交流异步电机因其结构简单、运行可靠、价格低廉、体积较小、机械性能好、运行维护方便等优点而被广泛采用。据统计，三相交流异步电机耗电量占全国发电量的30%以上。然而，电动机的起动特性却一直不理想。众所周知，电动机起动过程中的起动电流一般为额定电流3～7倍，高可达电动机额定电流的8倍。这样大的电流不仅加重了进线、供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷，而且同时出现的巨大转矩冲击又会使电动机发生猛烈的冲振，并且也给用作动力传输的辅助设备和做功的机械设备带来不可避免的机械冲击口。
三相高压交流异步电机的起动主要是通过在电源和电动机之间串联限流器件来实现降压起动，以确保起动过程中的安全性。起动方式主要有有级降压起动和无极软起动两类，前者对电压的调节是分档的，例如串电阻、串电抗、Y-△等起动；后者对电压的调节是连续的，例如串反向晶闸管、串开关变压器等起动。此类软起动通常也称为固态软起动，在实际设计过程中晶闸管的触发角控制导通问题是决定此类软起动的成败关键所在。本文将利用西门子S7-200可编程逻辑控制器的灵活、实用、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能模块化、使用方便等特点配合专门的三相移相触发板解决软起过程中晶闸管的触发角控制导通问题，以及应用光纤触发技术完美解决高压隔离问题，从而有效实现软起动的斜坡升压软起动、斜坡恒流软起动、脉冲冲击起动等起动方式，另外PLC还将实现系统模拟量采集、从站通讯、人机界面互动、逻辑控制等功能。
2.高压固态软起动工作原理
高压固态软起动主要由进线接触器、高压可控硅串联阀组和旁路接触器组成，如图2-1所示。其中高压可控硅串联阀组是功率变换执行部件，由多只可控硅串并联组成，并辅以吸收、均压箝位电路，保证其在高压环境中的可靠性。当进线端得电后，通过控制可控硅的导通角以实现对交流三相电源进行斩波，控制输出电压的幅值。并在起动过程完成后将旁路接触器闭合，软起动器切换到旁路状态，同时关闭可控硅。
一般高压固态软起动厂家设计基本上遵循将电量信号采集、系统控制、故障处理、脉冲触发、电源等功能集成在一块电路板上，例如2011市场上推出的一款高压固态软起动，该装置采用先进DSP控制技术、电力电子技术、可控硅串并联及光纤触发技术对电动机进行全面控制和综合保护，与其它传统的起动方法相比较，其特有的智能控制方式，既可以方便准确的设置起动转矩、起动电流、起动时间、停机时间等参数，又可以与微机、PLC等进行联网控制。如此集成化的电路板设计及软件控制编程需要进行大量的科研投入以及研发周期的增长，其中电路板测试、软件测试、整机测试、老化测试、抗干扰等测试也需要占用较长时间周期。研发周期过长势必将导致新产品在市场的占有率，另外新产品的稳定性及实用性也待市场的检验。
高压固态软起动控制部分主要由可控硅触发、电量采集及处理（同步信号等）、策略计算、通讯、保护等功能组成。设想如果在设计的过程中将不同的功能使用现有市场成熟模块化产品组合起来，整个只需通过简单的控制器将所有模块进行组合，协调模块在系统中发挥自身的作用及特点，那样该产品不仅研发周期将大大缩短，而且产品的性能及抗干扰能力也将有很大的提升，适合小团队短周期研发工作。
3.三相晶闸管移相触发控制模块
三相晶闸管移相触发控制模块：主要由电源、调节器、移相控制、脉冲形成、闭环PI调节器、脉冲光信号输出单元等组成。可构成具有恒压或恒流输出功能的三相调压系统，该产品通用性强，工作可靠，脉冲对称度高，抗干扰性强，支持光纤接口解决高压隔离，接线简单，使用方便。
工作特点：
●通用性强，可用于三相全控桥，半控桥，双反星形晶闸管整流电路，三相晶闸管反并联交流调压电路（半控或全控），可接各类三角形接法或星形接法的阻性、容性、感性负载；
●移相触发，标准模拟信号接口，方便与控制仪表的连接，控制信号可以是 0-10V 电压信号，也可以是4-20mA标准电流信号,既可手动调节，又能自动控制；
●有同步和相序自适应电路，免去传统可控硅电路认定同步和相序的麻烦，使用与调试极其方便。同步信号输入电压是100V，无需外接电源；
● 触发输出：六路脉冲列触发，内置光纤发射模块以及光纤输出接口，功率≥6mW；触发脉冲移相范围：0-170o。
应用三相晶闸管控移相触发模块只需接入三相AC100V同步电压信号、4-20mA/0-10V控制角给定信号、脉冲禁止/工作信号即可，其他功能可以有选择的使用。
4. 光纤触发及触发电路取能的实现
在高压设备中，电力电子元件或单元组件采用串联结构目的是相对耐压较低器件组承受高压装置，其控制方式经常采用光纤纤维（简称“光纤”）；光纤的有点包括：频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强等。
由于光纤的基本成分是石英（二氧化硅），只传光，不导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传送能有效解决高压固态软起动阀组件触发以及高压隔离等问题，并具有极强的抗干扰能力。
4.1光纤触发电路
使用光纤接收控制板的触发脉冲光信号，然后通过光信号接收器将光信号转换成同步的电平脉冲，通过放大即可用来触发可控硅。压阀串采用光纤触发并行控制方式，即每一个可控硅由一条光纤控制。
触发电路的取能
光纤仅能进行高低压信号隔离，无法传递可控硅触发功率，还有一个关键问题未解决，即：在光纤的接收端需要一个+5V的直流电源，这个电源的0端与晶闸管的阴极等电位，而阴极电位可能是几千伏。虽然主电路的电压可以很高，但要得到一个稳定的5V直流电源并不容易，对此耦合取能是一个不错的方法。
是一种供电采用恒流电源，恒流电源的输入为低压侧提供的DC24V，输出10A/300W，40KHZ高频单匝电流环。通过10KV高压电缆以电流互感器的方式的触发板供能。每个脉发板的驱动电源获1/n的能量。
PLC控制软启器的实现
在现代工业控制领域中, PLC因其强大的控制功能、丰富地运算能力得到广泛地应用。相比较单片机而言,PLC在抗干扰能力和可靠运行方面上,有着很大的优势。针对在高压固态软起动设备中，PLC所需要完成的工作包括：逻辑处理及主回路控制、模拟量采集及处理、触发角给定控制、从站通讯等。触发角的给定方式决定了电机启动的模式，下面将以S7-200控制器为例列举不同启动模式下的触发角给定处理。