一種基于PLC和變頻器的新型雙饋電機控制系統的詳細剖析

雙饋電機也稱交流勵磁電機，它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統，在風力發電和風機、泵類負載拖動系統中有著廣泛應用。其定子繞組接工頻電網，轉子繞組由具有可調節頻率、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，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通信功能的基礎上，結合變頻器本身提供的用戶自定義V／F控制方式，研究并實現了

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控制方法，采用技術成熟、性能可靠的PLC和變頻器等器件設計并實現了一種新型雙饋電機控制系統，理論分析和實驗表明，所提出的控制技術可行，不僅結構簡單，而且可靠性高，具有很高的實用價值。

2 雙饋電機的勵磁控制

2．1 雙饋電機的基本方程

選取d，q同步旋轉坐標系，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領先于ψ190°時間電角度，因此u1應落在q軸上，即uq1=U1為常數，ud1=0。定子電流同樣可分為轉矩電流分量iq1和磁場電流分量id1。在d，g坐標系中，采用電動機慣例，定子磁場定向雙饋電機的基本方程為：

式中：L1為定子繞組電感；r2，L2分別為折算到定子側的轉子繞組電阻和電感；Lm為定轉子繞組間的互感；下標1，2分別表示定子量和轉子量；p為微分算子。

2．2 勵磁電壓控制特性

假設雙饋電機定子接無窮大電網，穩態時，d，q坐標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轉子勵磁電壓控制模型，轉子勵磁電壓是轉差率的函數。

2．3 勵磁頻率控制特性

根據感應電機定、轉子繞組電流產生的旋轉磁場相對靜止的原理，可得雙饋電機運行時，電機轉速與定子繞組電流頻率的數學關系為：

式中：f2為定子電流頻率，與電網頻率相同；np為電機的極對數：n為雙饋電機的轉速。

由式（4）可知，調節f2即可控制n。當n《n1（n1為電機的同步轉速）時，雙饋電機處于亞同步速運行，f2》0；當n》n1時，雙饋電機處于超同步速運行，f2《0（負相序）；當n=n1時，f2=0，變流器向轉子提供直流勵磁，此時雙饋電機作為同步電機運行。

根據雙饋電機的控制特性可知，其勵磁控制系統必須能單獨調節勵磁電壓和頻率。

3 基于USS協議的變頻器輸出特性控制

USS是為變頻器開發的通信協議，可支持變頻器與PC或PLC之間建立通信連接，適用于規模較小的自動化系統。

通過USS通信，PLC可通過程序在變頻器運行階段動態設置變頻器參數，從而使變頻器完成輸出頻率一定時，輸出電壓連續可調；變頻器輸出電壓一定時，輸出頻率連續可調的功能。

3．1 變頻器輸出電壓調節

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節過程。

根據控制系統的要求設定用戶自定義V／F曲線的端點坐標，用USS通信程序的USS_CTRL指令在［fmin，fmax］范圍內設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曲線兩個端點的縱坐標，即可動態增大或減小變頻器輸出電壓值。采用此方法兩個端點縱坐標的變化量即等于變頻器輸出電壓的變化量。設控制點（fr，U）在第3段V／F曲線上，可見此段曲線的端點和控制點的橫坐標均為常量，縱坐標均為變量，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）指令動態設定；P1325由USS_WPM_R（P1325）指令動態設定；P1324，P1322為第3段用戶自定義V／F曲線橫坐標設定值。

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，從而實現變頻器輸出頻率一定時輸出電壓連續可調的功能。

3．2 變頻器輸出頻率調節

為使變頻器輸出頻率變化時輸出電壓保持不變，其控制方法是相應改變用戶自定義V／F曲線第3段曲線兩個端點的縱坐標，用USS通信程序控制變頻器的輸出電壓恒為設定值Ur。當變頻器輸出頻率增大時，減小該段曲線兩個端點的縱坐標；當變頻器輸出頻率減小時，增大該段曲線兩個端點的縱坐標，在調節頻率過程中保持第3段用戶自定義V／F曲線的斜率不變，即：

式中：k為常數，k=（P1324-P1322）/（P1325-P1323）。

式（8）對應的輸出特性曲線如圖3所示，是一簇平行線，從而實現變頻器輸出電壓一定時輸出頻率連續可調的功能。

綜上所述，通過PLC的USS通信控制程序，能夠實現變頻器輸出頻率一定時，輸出電壓連續可調；輸出電壓一定時，輸出頻率連續可調的功能，從而滿足雙饋電機的勵磁控制需要。

4 新型雙饋電機控制系統的組成

新型雙饋電機控制系統由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、監測保護電路、雙饋電機、負載等組成，其控制系統原理框圖如圖4所示。

采用PLC作為微控制器，MM440變頻器作為雙饋電機的勵磁電源。PLC根據檢測到的各個參數動態地控制變頻器的輸出，使雙饋電機不僅能

正常帶動負載運行，而且能對電網進行無功補償，以提高雙饋電機和局域電網的整體運行效率。

5 實驗結果分析

實驗采用Pn=2．8 kW，nn=1 370 r·min-1的JR系列繞線轉子電機。當雙饋電機穩定運行后，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所示的雙饋電機轉子側變頻調速實驗曲線，由圖可見，實驗結果與理論分析完全一致。

雙饋電機的另一個技術特點是能通過控制勵磁電壓的幅值，調節功率因數，從而節約能源和提高系統運行的穩定性。實驗是在變頻器輸出頻率為5 Hz時進行的，調節變頻器的輸出電壓步長為1 V。雙饋電機定子側功率因數與轉子勵磁電壓的關系曲線如圖5b所示。

對雙饋電機而言，欠勵時功率因數滯后，過勵時功率因數超前，正常勵磁時功率因數等于1。

6 結論

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等需要對頻率和電壓進行單獨調節的負載。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的響應速度和運行可靠性。所構建的雙饋電機控制系統結構簡單、成本低、抗干擾能力強，具有很好的人機交互界面，因此具有一定的實用價值和良好的應用前景。