施佳林 林成武

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870）

雙饋電機(jī)具有良好的調(diào)速性能和高效率，可調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功和無功功率，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的研究重點(diǎn)大多數(shù)都側(cè)重在逆變器的研制，而且普遍采用的是DSP或者FPGA等控制器配合驅(qū)動(dòng)電路來控制IGBT等大功率器件的控制系統(tǒng)[2]。此類傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是開發(fā)周期長，逆變器設(shè)計(jì)復(fù)雜，抗干擾能力弱，成本高，實(shí)用性差等不足[3]。為了克服傳統(tǒng)雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種PLC配合通用變頻器的雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單、模塊化、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，可以有效縮短了開發(fā)周期、降低成本，是雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

1 雙饋電機(jī)起動(dòng)控制過程分析

1.1 雙饋電機(jī)起動(dòng)控制策略

雙饋電機(jī)由于其定子連接工頻電網(wǎng)其轉(zhuǎn)子連接變頻器，電機(jī)起動(dòng)瞬間電機(jī)定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于短路狀態(tài)，瞬間起動(dòng)電流大，不能采用直接起動(dòng)方式，所以現(xiàn)在大多采用間接起動(dòng)的方法[4]。雙饋電機(jī)間接起動(dòng)后，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的轉(zhuǎn)子繞組運(yùn)行參數(shù)，控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的瞬態(tài)輸出參數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的運(yùn)行參數(shù)基本一致并接入電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，實(shí)現(xiàn)了由異步運(yùn)行模式向雙饋運(yùn)行模式的平滑轉(zhuǎn)換，從而完成雙饋電機(jī)的起動(dòng)。

1.2 轉(zhuǎn)子瞬態(tài)參數(shù)檢測(cè)

在檢測(cè)雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組各個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)中，轉(zhuǎn)子電流的相位檢測(cè)是運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換的重點(diǎn)同時(shí)也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。雙饋電機(jī)相位饋入點(diǎn)檢測(cè)控制實(shí)驗(yàn)電路圖如圖1所示。

圖1 雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子相位饋入點(diǎn)檢測(cè)電路

在異步運(yùn)行模式下，將一相轉(zhuǎn)子電流經(jīng)濾波后送至過零點(diǎn)檢測(cè)電路，檢測(cè)出波形的正向過零點(diǎn)送至PLC。當(dāng)PLC檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，內(nèi)部程序自動(dòng)計(jì)算變頻器與轉(zhuǎn)子側(cè)相位同步所需的延時(shí)時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)延時(shí)間時(shí)，PLC起動(dòng)變頻器，變頻器開始輸出三相電流，PLC控制變頻器與雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組連接進(jìn)入雙饋運(yùn)行模式。

1.3 變頻器瞬態(tài)輸出特性

西門子MM440變頻器有強(qiáng)大的參數(shù)設(shè)置功能，在變頻器起動(dòng)的一瞬間到變頻器輸出穩(wěn)定的三相交流電的這段時(shí)間是可以進(jìn)行調(diào)節(jié)的[5]。

P1120：變頻器輸出最大頻率所用時(shí)間。此參數(shù)是斜坡函數(shù)曲線不帶平滑圓弧時(shí)變頻器輸出從靜止?fàn)顟B(tài)加速到最高頻率P1082所用的時(shí)間。其函數(shù)曲線如圖2所示。其中，如果設(shè)定的斜坡上升時(shí)間太短就有可能導(dǎo)致變頻器跳閘過電流。

圖2 變頻器輸出最大頻率加速時(shí)間曲線

P1820：影響變頻器輸出最大頻率所用時(shí)間函數(shù)的斜率，同時(shí)影響變頻器輸出最大頻率所用時(shí)間。P1130、P1131，定義斜坡函數(shù)上升曲線起始段和結(jié)束段平滑圓弧的時(shí)間，單位為秒，如圖3所示。

圖3 斜坡函數(shù)上升曲線起始段和結(jié)束段平滑圓弧曲線

圖3為變頻器起動(dòng)時(shí)的輸出特性曲線，可以根據(jù)圖得出變頻器初始輸出的總上升時(shí)間Tup：

式中，fgive為給定的變頻器初始頻率值。

由式（1）可知：控制系統(tǒng)可以在給定頻率下的情況下，計(jì)算出變頻器輸出給定頻率所用的時(shí)間。說明可以通過設(shè)置變頻器的相關(guān)參數(shù)來控制變頻器的瞬態(tài)輸出，從而控制雙饋電機(jī)的間接起動(dòng)過程。

1.4 基本控制算法

將根據(jù)需要變頻器參數(shù)設(shè)置好，其起動(dòng)的相電壓波形經(jīng)過分壓濾波電路處理后，如圖4所示。

圖4 變頻器相電壓起動(dòng)波形

從圖4中可以看出：在變頻器起動(dòng)瞬間，變頻器開始工作并輸出電壓，經(jīng)過約500ms時(shí)，變頻器輸出基本穩(wěn)定，達(dá)到了饋電所要求的標(biāo)準(zhǔn)。圖5為變頻器輸出電壓與轉(zhuǎn)子電壓相位匹配過程示意圖。

圖5 變頻器輸出波形相位匹配過程

在圖 5中，t0時(shí)刻為轉(zhuǎn)子電壓波形的正向過零點(diǎn)；t1時(shí)刻為過零點(diǎn)檢測(cè)電路輸出的過零點(diǎn)脈沖；t2時(shí)刻為PLC程序及USS通信結(jié)束；t3時(shí)刻為變頻器啟動(dòng)；t4為變頻器輸出穩(wěn)定波形時(shí)刻。所以，相位匹配過程總時(shí)間設(shè)為TSUM，其表達(dá)式如下：

圖中5可以看出，從轉(zhuǎn)子電壓過零點(diǎn)t0時(shí)刻開始至變頻器輸出與電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓完全匹配的 t4時(shí)刻結(jié)束，此為一個(gè)完整的相位匹配過程，共包括 3.25個(gè)轉(zhuǎn)子電壓周期T2。則又有

將式（2）帶入式（3），消去TSUM可得

將雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓周期T2與雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速n關(guān)系公式[6]

式中，Ta為過零點(diǎn)檢測(cè)電路延時(shí)；Tb為PLC程序及USS通信延時(shí)；Td為變頻器初始輸出的總上升時(shí)間Tup；n為雙饋電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。

由式（5）可知，Tc的大小僅與n有關(guān)。在轉(zhuǎn)速n變化的情況下只要根據(jù)式（5）求出軟件延時(shí)的時(shí)間Tc的值就可以進(jìn)行相位匹配，可以進(jìn)行饋電。也就實(shí)現(xiàn)了在雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍變化下從異步電機(jī)模式向雙饋電機(jī)模式的轉(zhuǎn)換。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的起動(dòng)電路包括轉(zhuǎn)子電阻、電阻切換控制電路；轉(zhuǎn)子檢測(cè)電路包括轉(zhuǎn)子電流過零點(diǎn)檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)子電壓幅值檢測(cè)電路；電流變送器和電壓變送器將實(shí)時(shí)檢測(cè)的定子側(cè)的電壓電流信號(hào)送至PLC中，PLC監(jiān)視電機(jī)的工作狀態(tài)。觸摸屏則實(shí)現(xiàn)了友好易用的人機(jī)接口。圖6為雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖。

圖6 雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

根據(jù)饋電相位匹配的設(shè)計(jì)方案，程序流程圖設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 PLC程序流程圖

PLC起動(dòng)時(shí)，執(zhí)行USS通信初始化程序。將電機(jī)轉(zhuǎn)子接到起動(dòng)電阻，PLC開始通過USS通信協(xié)議讀取變頻器的電壓、頻率和電流值，同時(shí)將光電編碼器送來的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)處理成轉(zhuǎn)速值； PLC程序判斷用戶是否起動(dòng)電機(jī)，如果起動(dòng)電機(jī)，則接通電機(jī)定子側(cè)的接觸器，使電機(jī)串電阻起動(dòng)；如果用戶按下饋電按鈕，程序會(huì)自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)子側(cè)波形的正向過零點(diǎn)信號(hào)；當(dāng)檢測(cè)到過零點(diǎn)信號(hào)時(shí)起動(dòng)延時(shí)程序來保證變頻器輸出相位與轉(zhuǎn)子側(cè)波形一致，當(dāng)?shù)竭_(dá)延時(shí)時(shí)起動(dòng)變頻器向轉(zhuǎn)子繞組饋電，延時(shí)后切除起動(dòng)電阻，完成異步運(yùn)行模式向雙饋運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)條件為：電機(jī)額定功率為 2.2kW，電機(jī)定子側(cè)電壓 380V，發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻為 318?，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速為1350r/min。變頻器輸出電壓13V，頻率5Hz，電流為9.7A。變頻器起動(dòng)延時(shí)100ms，饋電延時(shí)150ms。

雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組饋電波形如圖8所示。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速為1350r/min時(shí)饋電波形

由圖8可以看出，饋入點(diǎn)處過渡平滑，僅有很小的沖擊；饋電后轉(zhuǎn)子電壓頻率與饋電前是一致的，都為 5Hz。說明在此條件下，系統(tǒng)成功將電機(jī)由異步運(yùn)行模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換為雙饋運(yùn)行模式。

當(dāng)雙饋電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)定子側(cè)電壓調(diào)至210V，電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 1260r/min時(shí)進(jìn)行雙饋運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。圖9為實(shí)驗(yàn)時(shí)的饋電波形。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)速為1260r/min時(shí)饋電波形

從饋電的波形圖中可以看出，在改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載的情況下雙饋電機(jī)的饋入點(diǎn)處過渡依然平滑，沖擊很??；饋電前后轉(zhuǎn)子電壓頻率相同，均為8Hz。說明電機(jī)工作在不同的狀態(tài)下時(shí)，雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)同樣能夠平穩(wěn)地將電機(jī)由異步運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換為雙饋運(yùn)行狀態(tài)。

3 結(jié)論

1）本文提出的雙饋電機(jī)的起動(dòng)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載和轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化的雙饋電機(jī)的穩(wěn)定起動(dòng)，實(shí)現(xiàn)由異步運(yùn)行模式向雙饋運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)換。

2）根據(jù)變頻器的瞬態(tài)特性提出的雙饋電機(jī)的起動(dòng)控制算法和控制策略是可行的，為雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的研制打下良好基礎(chǔ)。

3）理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PLC與通用變頻器組成的雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)有效縮短了雙饋電機(jī)控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有一定的應(yīng)用前景。

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