CN102340270B

CN102340270B - 基于plc和变频器的双馈电动机节能控制方法

Info

Publication number: CN102340270B
Application number: CN2011102339331A
Authority: CN
Inventors: 林成武; 卢博
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2011-08-16
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2031-08-16
Also published as: CN102340270A

Abstract

本发明提供一种基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统，其特征在于：该系统包括启动开关、状态切换开关、保护开关、双馈电动机、PLC、变频器、HMI人机交互界面、降压变压器、变频器输入电抗器、转速检测单元和启动控制单元；在所述双馈电动机的定子侧，定子通过启动开关和保护装置连接至电网；在所述双馈电动机的转子侧，转子通过状态切换开关、保护开关、降压变压器、变频器和变频器输入电抗器连接至电网。本发明不仅结构简捷、可靠性高，而且可以发挥出双馈电机特有的控制优势和节能的特点。

Description

基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制方法

技术领域

本发明属于双馈电动机的控制领域，尤其涉及一种基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统及控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，大功率半导体器件构成的变流器和双馈电动机组成的双馈调速系统，得到了许多人的重视，其主要工作原理是双馈电动机的定、转子三相绕组分别接到两个独立的对称电源，其中定子绕组的电源为固定频率的工业电源，而转子绕组电源是电压幅值、频率、相位均需按运行要求分别进行调节。该调速方式具有功率因数可调、效率高、变频装置容量小等优点。但由于转子变频电源需要采用专用励磁控制系统，研制周期长、成本较高、可靠性较低，节能性较差。所以，研究和发明一种新的控制经技术是十分必要的。

发明内容

发明目的：本发明提供一种基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统及控制方法，其目的是解决以往的控制模式，结构复杂、可靠性低的问题，并且克服了传统的双馈电机在驱动控制中需要专用励磁电源的缺陷。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统，其特征在于：该系统包括启动开关、状态切换开关、保护开关、双馈电动机、 PLC、变频器、HMI人机交互界面、降压变压器、变频器输入电抗器、转速检测单元和启动控制单元；

在所述双馈电动机的定子侧，定子通过启动开关和保护装置连接至电网；在所述双馈电动机的转子侧，转子通过状态切换开关、保护开关、降压变压器、变频器和变频器输入电抗器连接至电网。

所述状态切换开关由两个交流接触器组成，第一个交流接触器常开触点的一端接双馈电动机的转子启动电阻，另一端与双馈电动机的转子相连；第二个交流接触器的常开触点的一端经过降压电压器接变频器的输出端，另一端与双馈电动机的转子相连；

所述保护开关由一个交流接触器组成，该交流接触器的常开触点的一端短接在一起，另一端与双馈电动机的转子相连。

该系统还包括控制单元，控制单元主要包括：相位检测单元、频率检测单元、幅值检测单元、电压幅值检测单元、电流幅值检测单元、系统保护单元和变频器容量利用单元；

所述相位检测单元与变频器的输出相连；所述频率检测单元一端连接一个光电编码器，另一端与PLC的高速脉冲计数端相连；所述幅值切入单元一端与双馈电动机转子相连，另一端与PLC自身集成的A/D转换通道相连；所述电压幅值检测单元一端与双馈电动机定子侧的一相相连，另一端与A/D采样模块EM235相连；所述电流幅值检测单元一端与双馈电动机定子的一相相连，另一端与EM235相连；所述系统保护单元一端与双馈电动机转子相连，另一端短接；同时PLC的输入触点与变频器的继电器输出触点通过24V直流电源相连；所述变频器容量利用单元的一端与变频器输出端子相连，另一端与双馈电动机转子相连。

采用PLC作为微控制器、采用西门子MM440变频器作为励磁电源。

利用上述基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：具体控制步骤如下：

（1）、按下启动按钮，双馈电动机定子侧交流接触器Q4线圈上电，双馈电动机转子侧交流接触器Q1线圈上电，双馈电动机定子侧交流接触器Q2线圈失电，双馈电动机转子侧交流接触器Q3线圈失电，双馈电动机以普通异步电机的形式转子串接电阻启动；

（2）、启动结束后，控制程序检测双馈电动机稳定运行时的各个参数，主要包括馈入点的相位检测、馈入点的频率检测、馈入点的幅值检测，PLC根据检测到的参数控制变频器的输出，使其符合双馈电动机馈电的要求；

（3）、用变频器作为双馈电动机转子侧的励磁变频电源，当PLC确定变频器的输出特性符合双馈电动机的馈电要求时，双馈电动机转子侧交流接触器Q2线圈上电，控制系统转入双馈运行模式，然后将双馈电动机转子侧串接的启动电阻切除；

（4）、PLC检测到馈电成功后转入系统节能控制程序，设定视在功率基值S₀，并用A/D转换模块采集双馈电动机定子侧电压和电流的幅值，利用中断程序定时计算视在功率的瞬时值S₁，PLC根据检测到的相关参数值，动态设置变频器的参数，改变变频器的输出，从而将双馈电动机控制在容性区，且使双馈电动机的视在功率基本保持恒定；

（5）、当双馈电动机的负载变轻时，从双馈电动机的定子侧反馈回的电压与电流信号经过PLC计算转换成瞬时视在功率S₁，且瞬时视在功率S₁减去视在功率设定值S₀小于0，则执行控制程序：增大变频器的输出电压V，使功率因数下降；直至瞬时视在功率S₁减去视在功率设定值S₀等于0，程序跳转；

（6）、当双馈电动机的负载变重时，从双馈电动机定子侧反馈回的电压与电流信号经过PLC计算转换成瞬时视在功率S₂，且瞬时视在功率S₂减去视在功率设定值S₀大于0，则执行控制程序：减小变频器的输出电压V，使功率因数增大；直至瞬时视在功率S₂减去视在功率设定值S₀等于0，程序跳转；

（7）、当PLC检测到有异常现象发生时，如：变送器发生故障或MM440发生故障，PLC自动转入监测保护控制程序，双馈电动机转子侧交流接触器Q3线圈上电，双馈电动机转子侧交流接触器Q1线圈失电，双馈电动机转子侧交流接触器Q2线圈失电，将双馈电动机转入普通的异步电机运行模式带载运行。

优点及效果：本发明提供一种基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统及控制方法，本发明有效改变了传统的控制模式，不仅控制结构简单、可靠性高，而且克服了双馈电机在驱动控制中需要专用励磁电源的缺陷，降低了控制成本；对于大功率和高电压双馈电动机，利用此项控制技术不仅能降低系统成本还可以有效实现系统的节能控制和无功补偿。

本发明针对双馈电动机励磁控制技术的特殊性建立了双馈电机励磁电压和励磁频率的控制模型，根据建立的控制模型，研究出一种基于PLC和变频器的双馈电机励磁控制技术和以小容量变频器驱动控制大容量双馈电机的控制技术。

本发明专利采用技术成熟、性能可靠的PLC和MM440变频器等集成器件设计了新型双馈电机控制系统，不仅结构简捷、可靠性高，而且可以发挥出双馈电机特有的控制优势和节能的特点，以小容量的变频器控制大容量的双馈电机，无论是从系统节能的层面考虑，还是从控制系统成本的层面考虑都具有很高的实用价值。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以用PLC作为系统的微控制器，用西门子的MM440变频器作为双馈电机的励磁电源，采用本发明的设计方法和控制算法，可有效缩短研发时间、降低成本，提高系统运行的可靠性。

2、能够实现对高电压和大容量的双馈电机的控制，特别是对于定子侧电压达到上千伏、上万伏的双馈电机此种控制方法尤其具有优越性。同时，采用技术成熟的西门子MM440变频器，不但克服了以往双馈电机需要研制专用励磁控制器的缺陷，而且也提高了系统的可靠性，降低了控制成本。

3、实现双馈电机传动系统的高效与节能运行。轻载时向电网提供容性的无功补偿，重载时工作在单位功率因数附近，以提高双馈电机传动系统的工作效率，并能充分利用电机的储备容量，取得显著的节能效果。

附图说明：

图1是双馈电动机系统节能控制的硬件框图；

图2是双馈电动机系统节能控制的软件流程图；

图3是MM440变频器频率一定，电压连续可调时的V/F曲线图；

图4是MM440变频器电压一定，频率连续可调时的V/F曲线图；

图5是控制电动机的速度和变频器的输出电压之间的相对关系图；

图6是ADC标定的示意图。

具体实施方式：下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明提供一种基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统，该系统包括启动开关、状态切换开关、保护开关、双馈电动机、 PLC、变频器、HMI人机交互界面、降压变压器、变频器输入电抗器、转速检测单元和启动检测单元；

所述状态切换开关由两个交流接触器组成，第一个交流接触器常开触点的一端接双馈电动机的转子启动电阻，另一端与双馈电动机的转子相连；第二个交流接触器的常开触点的一端接变频器的输出，另一端与双馈电动机的转子相连；

该系统还包括控制单元，控制单元主要包括：相位切入检测单元、频率切入检测单元、幅值切入检测单元、电压幅值检测单元、电流幅值检测单元、系统保护单元和变频器容量利用单元；

所述相位检测切入单元与变频器的输出相连；所述频率检测单元一端连接一个光电编码器，另一端与PLC的高速脉冲计数端相连；所述幅值切入单元一端与双馈电动机转子相连，另一端与PLC自身集成的A/D转换通道相连；所述电压幅值检测单元一端与双馈电动机定子侧的一相相连，另一端与A/D采样模块EM235相连，用于检测该相电压的幅值；所述电流幅值检测单元一端与双馈电动机定子的一相相连，另一端与EM235相连，用于检测该相电流的幅值；所述系统保护单元一端与双馈电动机转子相连，另一端短接；同时PLC的输入触点与变频器的继电器输出触点通过24V直流电源相连；所述变频器容量利用单元的一端与变频器输出端子相连，另一端与双馈电动机转子相连。

采用PLC作为微控制器，采用西门子MM440变频器作为励磁电源。

本发明可以实现PLC控制双馈电动机启动时的软切入；可以用小功率的变频器作为励磁电源控制大功率的双馈电动机实现系统节能控制；

利用上述的基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统的节能控制方法，如下：

（1）、按下启动按钮，双馈电动机定子侧交流接触器（Q4）线圈上电，双馈电动机转子侧交流接触器（Q1）线圈上电，双馈电动机定子侧交流接触器（Q2）线圈失电，双馈电动机转子侧交流接触器（Q3）线圈失电，双馈电动机以普通异步电机的形式转子串接电阻启动；

（3）、用变频器作为双馈电动机转子侧的（励磁）变频电源，当PLC确定变频器的输出特性符合双馈电动机的馈电要求时，双馈电动机转子侧交流接触器（Q2）线圈上电，控制系统转入双馈运行模式，然后将双馈电动机转子侧串接的启动电阻切除；

（4）、PLC检测到馈电成功后转入系统节能控制程序，设定视在功率基值（S₀），并用A/D转换模块采集双馈电动机定子侧电压和电流的幅值，利用中断程序定时计算视在功率的瞬时值（S₁），PLC根据检测到的相关参数值，动态设置变频器的参数，改变变频器的输出，从而将双馈电动机控制在容性区，且使双馈电动机的视在功率基本保持恒定；

（5）、当双馈电动机的负载变轻时，从双馈电动机的定子侧反馈回的电压与电流信号经过PLC计算转换成瞬时视在功率（S₁），且瞬时视在功率（S₁）减去视在功率设定值（S₀）小于0，则执行控制程序：增大变频器的输出电压（V），使功率因数下降；直至瞬时视在功率（S₁）减去视在功率设定值（S₀）等于0，程序跳转；

（6）、当双馈电动机的负载变重时，从双馈电动机定子侧反馈回的电压与电流信号经过PLC计算转换成瞬时视在功率（S₂），且瞬时视在功率（S₂）减去视在功率设定值（S₀）大于0，则执行控制程序：减小变频器的输出电压（V），使功率因数增大；直至瞬时视在功率（S₂）减去视在功率设定值（S₀）等于0，程序跳转；

（7）、当PLC检测到有异常现象发生时，如：变送器发生故障或MM440发生故障，PLC自动转入监测保护控制程序，双馈电动机转子侧交流接触器（Q3）线圈上电，双馈电动机转子侧交流接触器（Q1）线圈失电，双馈电动机转子侧交流接触器（Q2）线圈失电，将双馈电动机转入普通的异步电机运行模式带载运行。

本发明的主要目的在于：

㈠、实现用PLC和变频器完成双馈电动机的（运行）控制；

㈡、实现以小容量变频器驱动控制大容量双馈电动机；

㈢、实现双馈电动机的系统节能（和无功补偿）控制。

㈣、实现低成本、可靠性高的双馈电动机、双馈发电机励磁控制系统；

本发明实现的关键点在于：

①、寻找到一种方法，以技术成熟的小容量的变频器驱动控制大容量的双馈电机，充分利用变频器的容量和自身的保护措施，降低控制成本，提高控制系统的可靠性；

②、针对双馈电机励磁控制技术的特殊性，建立双馈电机励磁电压和励磁频率的控制模型；

③、根据控制模型，寻找到一种控制方法，将变频器的输出电压与输出频率分开控制，以满足双馈电机励磁控制技术的要求；

、在MM440变频器与双馈电机的转子之间加一降压变压器，不仅起到变频器输出电抗器的作用，而且可以有效解除变频器长期在低频、低压工作时输出功率小的限制，达到以小容量变频器控制大容量双馈电机的目的。

本发明采用西门子的S7-200的PLC与MM440变频器恰好能满足小容量变频器驱动控制大容量双馈电动机的要求；PLC与变频器之间采用USS通信协议进行信息传递，在系统运行过程中，PLC可以根据检测到的参数动态修改变频器的相关参数，从而实现PLC对变频器输出特性的动态调节，使变频器的输出频率和输出电压分开控制，从而很好地满足双馈电动机转子侧励磁控制的要求。

在MM440变频器与双馈电机的转子之间加一降压变压器，该降压变压器不但起到变频器输出电抗器的作用，可以延长变频器的有效传输距离，有效抑制变频器的IGBT模块开关时产生的瞬间高压；而且可以有效解除变频器长期在低频、低压工作时输出电流小的限制，从而可以提高变频器的输出功率，达到以小容量变频器控制大容量双馈电机的目的。

本发明的系统的工作原理：用PLC作为微控制器，用MM440变频器作为双馈电动机的励磁电源，以系统节能作为控制目标。PLC根据检测到的参数控制电机双馈模式的馈入与电机系统节能模式的运行。整个系统由西门子S7-200的PLC、MM440变频器、触摸屏、电压变送器、电流互感器、电流变送器、启动检测电路、降压变压器、监测保护电路、双馈电动机、负载等组成。PLC根据检测到的各个参数动态地控制变频器的输出，使双馈电动机工作在过励状态，轻载时向电网提供容性的无功补偿，重载时工作在单位功率因数附近，以提高双馈电机和局域电网组成的系统的整体的工作效率。该方法采用技术成熟、性能可靠的PLC和变频器等器件，理论分析和实验表明所提出的控制技术可行，不仅结构简捷，而且可靠性高，具有很高的实用价值。

双馈电动机的励磁控制模型如下：

双馈电机的基本方程

选取dq同步旋转坐标系，将坐标轴ｄ方向与定子磁链

一致，这样Ψ ₁＝Ψ _d1，Ψ _q1=0。，定子电压领先于定子磁链90°时间电角度，因此定子电压u ₁应落在q轴上，即u _q1=U₁为常数，u _d1=0。定子电流同样可分转矩电流分量i _q1和磁场电流分量i _d1。在同步旋转坐标系（dq）中，采用电动机惯例，定子磁场定向双馈电机的基本方程如下：

（1）

式中：L₁是定子绕组电感；ｒ₂、L₂分别为折算到定子侧的转子绕组电阻与电感；Ｌ_m为定转子绕组间的互感；下标１，２分别表示定子量和转子量；Ｄ＝d/dt为微分算子。

上式即为在同步旋转坐标系（dq）下的双馈电机的基本方程。

励磁电压控制特性

假设双馈电机定子接无穷大电网，在稳态的情况下，同步旋转坐标系（dq）中的各相电压和电流均为直流量，上式（1）中D=0。将

，

，代入式（1）得：

（2）

假设双馈电机运行在单位功率因数，转子励磁电压的有功分量为零，则由式（2）得：

（3）

式（3）即为简化的双馈电机的转子励磁电压控制模型，转子励磁电压是转差率的函数。

励磁频频控制特性

根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可以得出双馈电机运行时电机转速与定、转子绕组电流频率关系的数学表达式如下：

（4）

式中：

——定子电流频率与电网频率相同；

——电机的极对数；

——双馈电机的转速；

由式（4），调节

即可控制转速。当

（电机的同步转速）时，双馈电机处于亚同步速运行，

为正值；当

时，双馈电机处于超同步速运行，

为负值也就是负相序；当

时，

，变流器向转子提供直流励磁，此时双馈电机作为同步电机运行。

根据双馈电机的控制特性，其励磁控制系统必须能单独调节励磁电压和频率。

变频器设置方式

利用西门子变频器特有的二进制互联BICO技术，再结合MM440变频器所特有的P1330独立电压设定值功能，可以将变频器的输出频率、输出电压分开控制，使变频器可以在低频状态下长期稳定运行。这样做不但操作简单方便、控制效果好，而且也简化了S7-200 PLC的USS控制程序，缩短了程序执行的时间，从而也提高了系统的动态响应特性。

变频器的BICO设置技术

BICO功能是一种很灵活的将输入和输出功能联系在一起的设置方法，同时，它也是西门子变频器所特有的功能，可以方便客户根据实际需求来灵活定义端口。

BI：二进制互联输入，即该参数可以选择和定义输入的二进制信号源。

BO：二进制互联输出，即该参数可以选择输出的二进制功能，或作为用户定义的二进制。BO通常作为BI的输入信号源。

CI：内部互联输入，即该参数可以选择和定义输入量的信号源，通常与“P参数”相对应。

CO：内部互联输出，即该参数可以选择输出量的功能，或作为用户定义的信号输出，通常与“r参数”相对应。CO通常作为CI的输入信号源。

下表为本发明专利中的MM440变频器主要参数及功能

MM440变频器关键设置步骤：

第一步：设置P1300=19，激活P1330独立电压设定值功能；

第二步：设置P1330=2889或P1330=755.0，将内部互联输出P2889或r0775作为内部互联输入P1330的信号源，从而通过修改P2889或r0775的值即可动态修改P1330的值（也就修改了变频器的输出电压值）；

第三步：程序控制，利用USS_CTRL指令控制变频器的输出频率；利用USS_WPM_R指令或外部模拟量通道1的模拟量值控制变频器的输出电压；利用USS_RPM_R指令检测USS_WPM_R指令的执行效果。

Claims

1.利用基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制系统的节能控制方法，其特征在于：该系统包括启动开关、状态切换开关、保护开关、双馈电动机、 PLC、变频器、HMI人机交互界面、降压变压器、变频器输入电抗器、转速检测单元和启动控制单元；

在所述双馈电动机的定子侧，定子通过启动开关和保护装置连接至电网；在所述双馈电动机的转子侧，转子通过状态切换开关、保护开关、降压变压器、变频器和变频器输入电抗器连接至电网；

所述保护开关由一个交流接触器组成，该交流接触器的常开触点的一端短接在一起，另一端与双馈电动机的转子相连；

所述相位检测单元与变频器的输出相连；所述频率检测单元一端连接一个光电编码器，另一端与PLC的高速脉冲计数端相连；幅值切入单元一端与双馈电动机转子相连，另一端与PLC自身集成的A/D转换通道相连；所述电压幅值检测单元一端与双馈电动机定子侧的一相相连，另一端与A/D采样模块EM235相连；所述电流幅值检测单元一端与双馈电动机定子的一相相连，另一端与A/D采样模块EM235相连；所述系统保护单元一端与双馈电动机转子相连，另一端短接；同时PLC的输入触点与变频器的继电器输出触点通过24V直流电源相连；所述变频器容量利用单元的一端与变频器输出端子相连，另一端与双馈电动机转子相连；

采用PLC作为微控制器、采用西门子MM440变频器作为励磁电源；

该节能控制方法的具体控制步骤如下：

（3）、用变频器作为双馈电动机转子侧的励磁变频电源，当PLC确定变频器的输出特性符合双馈电动机的馈电要求时，双馈电动机转子侧交流接触器（Q2）线圈上电，控制系统转入双馈运行模式，然后将双馈电动机转子侧串接的启动电阻切除；

（7）、当PLC检测到有异常现象发生时，PLC自动转入监测保护控制程序，双馈电动机转子侧交流接触器（Q3）线圈上电，双馈电动机转子侧交流接触器（Q1）线圈失电，双馈电动机转子侧交流接触器（Q2）线圈失电，将双馈电动机转入普通的异步电机运行模式带载运行。

2、根据权利要求1所述的基于PLC和变频器的双馈电动机节能控制方法，其特征在于：“（7）”步骤中的PLC检测到的有异常现象的发生是指MM440变频器发生故障。