基于PLC和變頻器的雙饋電機(jī)控制技術(shù)研究

摘要：針對雙饋電機(jī)勵磁控制技術(shù)的特殊性，建立了其勵磁電壓和頻率的控制模型，研究了一種基于可編程邏輯控制器(PLC)和變頻器的新型雙饋電機(jī)勵磁控制技術(shù)。該方法利用USS通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)PLC對變頻器輸出特性的動態(tài)控制，能對變頻器輸出頻率和電壓進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法是可行的，特別適用于雙饋電機(jī)等需要進(jìn)行變頻、變壓控制的負(fù)載，具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：雙饋電機(jī)；變頻器；可編程邏輯控制器；控制特性

1 引言
    雙饋電機(jī)也稱交流勵磁電機(jī)，它包括電機(jī)本身和交流勵磁自動控制系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載拖動系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。其定子繞組接工頻電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率、相位、幅值和相序的三相電源激勵，通常需采用專用勵磁控制系統(tǒng)，研制周期長，成本較高。
    這里在研究S7-200 PLC和MM4系列變頻器之間的USS通信功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合變頻器本身提供的用戶自定義V／F控制方式，研究并實(shí)現(xiàn)了
變頻器輸出頻率與輸出電壓的分別控制。提出了一種新的雙饋電機(jī)控制方法，采用技術(shù)成熟、性能可靠的PLC和變頻器等器件設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)，理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，所提出的控制技術(shù)可行，不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且可靠性高，具有很高的實(shí)用價值。

2 雙饋電機(jī)的勵磁控制
2．1 雙饋電機(jī)的基本方程
    選取d，q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，使d軸方向與定子磁鏈ψ1一致，則ψd1=ψ1，ψq1=0。由于定子電壓u1領(lǐng)先于ψ190°時間電角度，因此u1應(yīng)落在q軸上，即uq1=U1為常數(shù)，ud1=0。定子電流同樣可分為轉(zhuǎn)矩電流分量iq1和磁場電流分量id1。在d，g坐標(biāo)系中，采用電動機(jī)慣例，定子磁場定向雙饋電機(jī)的基本方程為：
   
    式中：L1為定子繞組電感；r2，L2分別為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組電阻和電感；Lm為定轉(zhuǎn)子繞組間的互感；下標(biāo)1，2分別表示定子量和轉(zhuǎn)子量；p為微分算子。
2．2 勵磁電壓控制特性
    假設(shè)雙饋電機(jī)定子接無窮大電網(wǎng)，穩(wěn)態(tài)時，d，q坐標(biāo)系中各相電壓和電流均為直流量，式(1)中p=0。將ω1￡1=X1，ω1L2=X2，ω1Lm=Xm代入式(1)得：

    式(3)即為簡化的雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電壓控制模型，轉(zhuǎn)子勵磁電壓是轉(zhuǎn)差率的函數(shù)。
2．3 勵磁頻率控制特性
    根據(jù)感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相對靜止的原理，可得雙饋電機(jī)運(yùn)行時，電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子繞組電流頻率的數(shù)學(xué)關(guān)系為：
   
    式中：f2為定子電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同；np為電機(jī)的極對數(shù)：n為雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    由式(4)可知，調(diào)節(jié)f2即可控制n。當(dāng)n<n1(n1為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速)時，雙饋電機(jī)處于亞同步速運(yùn)行，f2>0；當(dāng)n>n1時，雙饋電機(jī)處于超同步速運(yùn)行，f2<0(負(fù)相序)；當(dāng)n=n1時，f2=0，變流器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁，此時雙饋電機(jī)作為同步電機(jī)運(yùn)行。
    根據(jù)雙饋電機(jī)的控制特性可知，其勵磁控制系統(tǒng)必須能單獨(dú)調(diào)節(jié)勵磁電壓和頻率。

3 基于USS協(xié)議的變頻器輸出特性控制
    USS是為變頻器開發(fā)的通信協(xié)議，可支持變頻器與PC或PLC之間建立通信連接，適用于規(guī)模較小的自動化系統(tǒng)。
    通過USS通信，PLC可通過程序在變頻器運(yùn)行階段動態(tài)設(shè)置變頻器參數(shù)，從而使變頻器完成輸出頻率一定時，輸出電壓連續(xù)可調(diào)；變頻器輸出電壓一定時，輸出頻率連續(xù)可調(diào)的功能。
3．1 變頻器輸出電壓調(diào)節(jié)
    變頻器可編程用戶V／F曲線如圖1所示。以用戶自定義V／F輸出曲線中的第3段為例，分析輸出頻率不變時輸出電壓的調(diào)節(jié)過程。

    根據(jù)控制系統(tǒng)的要求設(shè)定用戶自定義V／F曲線的端點(diǎn)坐標(biāo)，用USS通信程序的USS_CTRL指令在[fmin，fmax]范圍內(nèi)設(shè)置變頻器的輸出頻率fr。用USS WPM R指令同時增大或減小用戶自定義V／F曲線兩個端點(diǎn)的縱坐標(biāo)，即可動態(tài)增大或減小變頻器輸出電壓值。采用此方法兩個端點(diǎn)縱坐標(biāo)的變化量即等于變頻器輸出電壓的變化量。設(shè)控制點(diǎn)(fr，U)在第3段V／F曲線上，可見此段曲線的端點(diǎn)和控制點(diǎn)的橫坐標(biāo)均為常量，縱坐標(biāo)均為變量，得出第3段用戶自定義V／F曲線斜率為：
   
    式中：fr為給定輸出頻率；P1323由USS_WPM_R(P1323)指令動態(tài)設(shè)定；P1325由USS_WPM_R(P1325)指令動態(tài)設(shè)定；P1324，P1322為第3段用戶自定義V／F曲線橫坐標(biāo)設(shè)定值。
    由式(5)可得輸出電壓控制模型為：
   
    變頻器輸出電壓值以△U為步長的控制過程如圖2所示，是一簇平行線，從而實(shí)現(xiàn)變頻器輸出頻率一定時輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功能。

3．2 變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)
    為使變頻器輸出頻率變化時輸出電壓保持不變，其控制方法是相應(yīng)改變用戶自定義V／F曲線第3段曲線兩個端點(diǎn)的縱坐標(biāo)，用USS通信程序控制變頻器的輸出電壓恒為設(shè)定值Ur。當(dāng)變頻器輸出頻率增大時，減小該段曲線兩個端點(diǎn)的縱坐標(biāo)；當(dāng)變頻器輸出頻率減小時，增大該段曲線兩個端點(diǎn)的縱坐標(biāo)，在調(diào)節(jié)頻率過程中保持第3段用戶自定義V／F曲線的斜率不變，即：
   
    式中：k為常數(shù)，k=(P1324-P1322)/(P1325-P1323)。
    式(8)對應(yīng)的輸出特性曲線如圖3所示，是一簇平行線，從而實(shí)現(xiàn)變頻器輸出電壓一定時輸出頻率連續(xù)可調(diào)的功能。

    綜上所述，通過PLC的USS通信控制程序，能夠?qū)崿F(xiàn)變頻器輸出頻率一定時，輸出電壓連續(xù)可調(diào)；輸出電壓一定時，輸出頻率連續(xù)可調(diào)的功能，從而滿足雙饋電機(jī)的勵磁控制需要。

4 新型雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的組成
    新型雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)由S7-200 PLC和MM440變頻器、TP177B-6觸摸屏、電壓變送器、電流互感器、電流變送器、啟動檢測電路、監(jiān)測保護(hù)電路、雙饋電機(jī)、負(fù)載等組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

    采用PLC作為微控制器，MM440變頻器作為雙饋電機(jī)的勵磁電源。PLC根據(jù)檢測到的各個參數(shù)動態(tài)地控制變頻器的輸出，使雙饋電機(jī)不僅能
正常帶動負(fù)載運(yùn)行，而且能對電網(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償，以提高雙饋電機(jī)和局域電網(wǎng)的整體運(yùn)行效率。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    實(shí)驗(yàn)采用Pn=2．8 kW，nn=1 370 r·min-1的JR系列繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)。當(dāng)雙饋電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，保持變頻器輸出電壓為17 V，控制變頻器輸出頻率以0．3 Hz的步長增減，得到如圖5a所示的雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)曲線，由圖可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析完全一致。

    雙饋電機(jī)的另一個技術(shù)特點(diǎn)是能通過控制勵磁電壓的幅值，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，從而節(jié)約能源和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)是在變頻器輸出頻率為5 Hz時進(jìn)行的，調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓步長為1 V。雙饋電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)與轉(zhuǎn)子勵磁電壓的關(guān)系曲線如圖5b所示。
    對雙饋電機(jī)而言，欠勵時功率因數(shù)滯后，過勵時功率因數(shù)超前，正常勵磁時功率因數(shù)等于1。

6 結(jié)論
    所提出的MM4系列變頻器輸出特性的控制方法，特別適用于控制雙饋電機(jī)等需要對頻率和電壓進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)的負(fù)載。S7-200 PLC與MM4
系列變頻器之間的USS通信功能提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和運(yùn)行可靠性。所構(gòu)建的雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的人機(jī)交互界面，因此具有一定的實(shí)用價值和良好的應(yīng)用前景。