摘要：电动机在驱动对象运行过程中，由于机械故障、负荷过大、电压突然降低等原因，会出现突然减速或停止旋转的堵转现象，堵转会造成电动机温度升高，导致其绝缘加速老化，最后烧毁电动机的事故。利用PLC实现的堵转自动保护，能对启动过程和正常运行过程中发生的堵转实现快速保护，克服了常规堵转保护反应速度慢和准确性差的缺点。

关键词：可编程控制器；电动机；堵转保护；定时器；运动监测；PLC 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）03-0080-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.03.040

1 概述

为了有效避免电动机堵转造成的故障，对经常发生堵转的设备就要适当提高电动机功率，增加电动机的扭矩，确保电动机最大转矩始终大于负载力矩。此外堵转保护电路是易发生电动机堵转设备必备的保护措施，而通常采用速度继电器的防堵转保护电路，由于速度继电器自身结构和灵敏度影响，对步进、角度等精确移动的机械设备很难进行有效的堵转保护。笔者通过对传统堵转保护电路的分析，提出了一个适合于三相异步电动机、步进电动机和伺服电动机堵转保护的有效方案，并在实际应用中取得了良好的效果。

2 电动机发生堵转的原因

电动机发生堵转的原因很多，主要是由于使用系统或电动机本身原因造成堵转，比如传动机构由于机械原因或瞬時负荷太大超出电动机负载能力发生卡堵，使电动机转轴被驱动设备卡死，电动机无法驱动造成堵转；此外，电动机由于长时间大负荷运转造成轴承磨损，出现电动机转子旋转时转子与定子间隙偏差过大，当转子侧向力过大时，就会造成转子与定子接触，过大的摩擦力使电动机转子无法旋转，也会发生堵转。电动机堵转后定子绕组将流过5～10倍的额定电流，使得定子电流快速增大，电动机内部温度急剧上升，破坏电动机绝缘，烧毁绕组。电动机堵转时，电流变化迅速，这一过程会在很短时间内发生，且这种现象不易被提前发现，对电动机的破坏十分严重。

为什么在电动机发生堵转时定子绕组会产生过大的电流？以三相异步电动机为例，当三相异步电动机转动时，定子绕组形成的旋转磁场拖动转子旋转，而转子中感应电流所产生的磁场也在定子绕组感应出反电势，也就是感应电动势，起到阻止电动机定子电流增加的作用，当电动机发生堵转，转子不能旋转，在定子中的感应反电势也就没有了，定子电流由于转子感应反电势为零而迅速升高，直至发生短路。对同步电动机和交、直流伺服电动机，同样是通过电磁转换将电能变为机械能，当上述电动机发生堵转时，反电势也没有了，电动机就像接在电源中的一个电感元件，只有其自身的电阻和电感，自然电流会大大增加。为了检验电动机的过流性能，一般大修过的电动机都要做堵转试验，以校验电动机的性能。

3 常用电动机堵转的保护电路

电动机的堵转保护在一定程度上可以理解为过载保护，当电动机出现堵转时表明负载突然增大，电动机输出力矩小于负载转矩，导致电动机不能转动运行，但此时电动机的电流却很大，极容易烧坏电动机，因此设置了堵转保护电路。

一般电动机控制电路都有过载保护功能，通常电动机采用继电器实现的过载保护或低压断路器自带的过流继电器实现的过流保护。当电动机合闸启动后较长时间电流不能降下来，过载保护热继电器将动作，主电路接触器断开电动机的电源，它只适合于电动机长时间过负荷运行引起的温升过高保护。对三相异步电动机堵转保护，通常采用速度继电器实现的保护，它通过时间继电器和转速开关的转速接点以逻辑与的串联关系控制接触器线圈实现跳闸。在三相异步电动机主轴上连接有速度继电器KV，在控制电路中通过速度继电器KV动断接点连接定时器线圈KT，电动机启动后，随着电动机转速的上升，速度继电器KV动断触电打开，定时器KT线圈断电，电动机正常运行；当发生电动机堵转时，电动机转速迅速下降，速度继电器KT动断接点复位闭合，定时器KT线圈得电延时，延时时间到，通过定时器KT延时动断接地，使接触器KM线圈断电，电动机停止运行，实现堵转保护。

由于速度继电器KV的接点动作是通过内部摆锤的惯性控制，它要求速度继电器在一定的速度下才能动作，接点有一定的延时，并且只适合高速旋转的设备。因此，这种传统堵转保护具有一定的局限性，不适合用于低速运转、移位和角度运行的电动机、步进电动机和伺服电动机的堵转保护。

4 PLC实现堵转自动保护

针对采用速度继电器进行电动机堵转保护存在的不足，笔者通过PLC控制解决了上述堵转保护的问题。电动机是PLC的主要控制对象，通过外部光电传感器的检测信号和PLC内部定时器、计数器等器件，编制堵转保护控制程序，可以实现对低速运转、移位和角度运行的电动机进行堵转保护。

PLC实现堵转保护电路的主要设备有西门子S7-200（型号CPU222AC/DC/继电器）PLC用于实现堵转保护控制，在电动机的轴端连接角度盘，并在0度开孔，使光电开关SQ在此处工作状态发生变化，用于检测电动机运行时的旋转情况。当电动机发生堵转时，光电开关SQ会停留在ON/OFF工作状态，PLC根据检查到的信号，通过程序判断，确认电动机发生堵转后发出控制命令，使电动机停止并发出报警指示。

PLC实现电动机堵转保护的PLC梯形图控制程序，PLC控制程序的工作过程如下：按下启动按钮SB2→输入继电器I0.0得电→动合触点I0.0闭合→输出继电器Q0.0线圈得电→接触器KM1吸合，电动机启动并运行，输出继电器Q0.0的动合触点Q0.0[1]自锁，使输出继电器Q0.0线圈保持有电状态。输出继电器Q0.0的动合触点Q0.0[2]闭合→堵转保护电路得电开始工作→电动机运行后，角度盘随着电动机旋转，光电开关由于角度盘0度孔的不断变化，使光电开关动合触点I0.3、动断触点I0.3交替闭合→定时器T110、定时器T111线圈延时时间不足→定时器T110、定时器T111的接点不能闭合→辅助继电器线圈M0.0不得电→辅助继电器M0.0的动断接点始终闭合，输出继电器Q0.0线圈保持得电状态→接触器KM吸合状态，电动机正常工作。

当发生堵转时，电机不能转动，角度盘停留在某一个状态，光电开关SQ会照射在角度盘的某一个位置，使光电开关SQ接点保持在一种状态（闭合或断开）。假定光电开关SQ照射在角度盘的非0度孔外，光电开关SQ闭合→动合触点I0.3闭合→定时器T111线圈得电开始延时，定时器T111线圈延时时间到→定时器T111动合触点闭合→辅助继电器M0.0线圈得电→辅助继电器M0.0动断触点断开→输出继电器Q0.0线圈失电→接触器KM1释放，电动机停止工作，实现堵转保护；与此同时，辅助继电器M0.0动合触点闭合→输出继电器Q0.1线圈得电→报警信号灯HL亮，发出堵转报警信号。

对低速运转、移位和角度运行的电动机，可根据运动设备的实际运行情况，调整堵转保护的动作时间，以达到预期的堵转保护效果。调整堵转保护动作时间的方法是，通过定时器T110、定时器T111延时时间进行调整，调整的方式可采用程序预置时间，即在每次向S7-200下载程序时，将堵转保护时间设置好，在设备运行后就不能改变，只能通过再次下载程序进行调整；另一种调整方式是通过S7-200外置的模拟量调整旋钮，进行现场给定，在设备停止时，调整模拟量给定旋钮，改变堵转保护时间，当设备运行后就按照给定的保护时间进行堵转保护。PLC实现的电机堵转保护控制方案具有很好的适用性，在保证电动机正常运行的情况下，可以有效避免由于堵转造成的电动机损坏。

对移位和角度运行精度要求高、位移变化小的设备，为提高堵转保护的准确性，更好保护步进电动机和伺服电动机在位移和角度运行中出现的堵转故障，可用旋转编码器代替光电开关SQ。根据编码器输入的脉冲信号频率和数量，通过高速计数器指令进行比较和判断，确定电动机是否发生堵转故障，并最终确定电动机是否需要停止运行。笔者通过S7-200的高速计数器指令HSC0（工作模式2，内部方向控制单向计数器）和旋转编码器，对步进电动机单向运行的堵转保护进行了实验，当步进电动机发送堵转时，PLC能够迅速停止发出脉冲信号，使步进电动机停止工作，实现堵转保护。

5 结语

对进行角度和位置精确移动的步进电动机、交直流伺服电动机，采样传统的堵转保护方式很难实现可靠保护，当引进了PLC控制后，这一情况就大为改观。通过对电动机运动监测，能够实时观测到电动机的运动状态，并做出有效的判断，这是以往采用电动机电流变化间接监测不具备的优势。PLC控制系统由于其控制功能的丰富和完善，对传统控制系统的改进有了更全面的创新和发展，PLC实现的堵转保护在使用上更加贴近工程实例，具有很强的实用性和可操作性，PLC控制系统在电气控制系统中发挥着越来越重要的作用。

参考文献

[1] 王超.谈谈可编程控制器系统设计的几点技巧[J].计算机光盘软件与应用，2011，12（6）.

[2] 裴元方，冯萍，康继昌.PLC梯形图的一种数据结构描述方法[J].计算机工程与科学，2009，12（5）.

[3] 郭宗仁，王志凯，李琰.PLC分级递阶智能控制系统的实现与应用[J].电子学报，2002，4（6）.

[4] 刘远博，薛丽贤，郑毅.可编程控制器PLC控制系统程序设计探讨[J].黄金，2011，4（9）.

[5] 陈冠玲，吴小滔.提高PLC程序运行速度的几种编程方法[J].自动化仪表，2005，26（8）.

作者簡介：金沙（1965-），男，辽宁石化职业技术学院自动化系副教授，硕士。

（责任编辑：秦逊玉）