基于PLC和变频器的双馈电机控制技术研究

摘要：针对双馈电机励磁控制技术的特殊性，建立了其励磁电压和频率的控制模型，研究了一种基于可编程逻辑控制器(PLC)和变频器的新型双馈电机励磁控制技术。该方法利用USS通信协议实现PLC对变频器输出特性的动态控制，能对变频器输出频率和电压进行单独调节。在此基础上，构建了实验系统，进行相关实验研究。理论分析和实验结果表明，该控制方法是可行的，特别适用于双馈电机等需要进行变频、变压控制的负载，具有广阔的应用前景。
关键词：双馈电机；变频器；可编程逻辑控制器；控制特性

1 引言
    双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统，在风力发电和风机、泵类负载拖动系统中有着广泛应用。其定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源激励，通常需采用专用励磁控制系统，研制周期长，成本较高。
    这里在研究S7-200 PLC和MM4系列变频器之间的USS通信功能的基础上，结合变频器本身提供的用户自定义V／F控制方式，研究并实现了
变频器输出频率与输出电压的分别控制。提出了一种新的双馈电机控制方法，采用技术成熟、性能可靠的PLC和变频器等器件设计并实现了一种新型双馈电机控制系统，理论分析和实验表明，所提出的控制技术可行，不仅结构简单，而且可靠性高，具有很高的实用价值。

2 双馈电机的励磁控制
2．1 双馈电机的基本方程
    选取d，q同步旋转坐标系，使d轴方向与定子磁链ψ1一致，则ψd1=ψ1，ψq1=0。由于定子电压u1领先于ψ190°时间电角度，因此u1应落在q轴上，即uq1=U1为常数，ud1=0。定子电流同样可分为转矩电流分量iq1和磁场电流分量id1。在d，g坐标系中，采用电动机惯例，定子磁场定向双馈电机的基本方程为：
   
    式中：L1为定子绕组电感；r2，L2分别为折算到定子侧的转子绕组电阻和电感；Lm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；p为微分算子。
2．2 励磁电压控制特性
    假设双馈电机定子接无穷大电网，稳态时，d，q坐标系中各相电压和电流均为直流量，式(1)中p=0。将ω1￡1=X1，ω1L2=X2，ω1Lm=Xm代入式(1)得：

    式(3)即为简化的双馈电机转子励磁电压控制模型，转子励磁电压是转差率的函数。
2．3 励磁频率控制特性
    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，可得双馈电机运行时，电机转速与定子绕组电流频率的数学关系为：
   
    式中：f2为定子电流频率，与电网频率相同；np为电机的极对数：n为双馈电机的转速。
    由式(4)可知，调节f2即可控制n。当n<n1(n1为电机的同步转速)时，双馈电机处于亚同步速运行，f2>0；当n>n1时，双馈电机处于超同步速运行，f2<0(负相序)；当n=n1时，f2=0，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可知，其励磁控制系统必须能单独调节励磁电压和频率。

3 基于USS协议的变频器输出特性控制
    USS是为变频器开发的通信协议，可支持变频器与PC或PLC之间建立通信连接，适用于规模较小的自动化系统。
    通过USS通信，PLC可通过程序在变频器运行阶段动态设置变频器参数，从而使变频器完成输出频率一定时，输出电压连续可调；变频器输出电压一定时，输出频率连续可调的功能。
3．1 变频器输出电压调节
    变频器可编程用户V／F曲线如图1所示。以用户自定义V／F输出曲线中的第3段为例，分析输出频率不变时输出电压的调节过程。

    根据控制系统的要求设定用户自定义V／F曲线的端点坐标，用USS通信程序的USS_CTRL指令在[fmin，fmax]范围内设置变频器的输出频率fr。用USS WPM R指令同时增大或减小用户自定义V／F曲线两个端点的纵坐标，即可动态增大或减小变频器输出电压值。采用此方法两个端点纵坐标的变化量即等于变频器输出电压的变化量。设控制点(fr，U)在第3段V／F曲线上，可见此段曲线的端点和控制点的横坐标均为常量，纵坐标均为变量，得出第3段用户自定义V／F曲线斜率为：
   
    式中：fr为给定输出频率；P1323由USS_WPM_R(P1323)指令动态设定；P1325由USS_WPM_R(P1325)指令动态设定；P1324，P1322为第3段用户自定义V／F曲线横坐标设定值。
    由式(5)可得输出电压控制模型为：
   
    变频器输出电压值以△U为步长的控制过程如图2所示，是一簇平行线，从而实现变频器输出频率一定时输出电压连续可调的功能。

3．2 变频器输出频率调节
    为使变频器输出频率变化时输出电压保持不变，其控制方法是相应改变用户自定义V／F曲线第3段曲线两个端点的纵坐标，用USS通信程序控制变频器的输出电压恒为设定值Ur。当变频器输出频率增大时，减小该段曲线两个端点的纵坐标；当变频器输出频率减小时，增大该段曲线两个端点的纵坐标，在调节频率过程中保持第3段用户自定义V／F曲线的斜率不变，即：
   
    式中：k为常数，k=(P1324-P1322)/(P1325-P1323)。
    式(8)对应的输出特性曲线如图3所示，是一簇平行线，从而实现变频器输出电压一定时输出频率连续可调的功能。

    综上所述，通过PLC的USS通信控制程序，能够实现变频器输出频率一定时，输出电压连续可调；输出电压一定时，输出频率连续可调的功能，从而满足双馈电机的励磁控制需要。

4 新型双馈电机控制系统的组成
    新型双馈电机控制系统由S7-200 PLC和MM440变频器、TP177B-6触摸屏、电压变送器、电流互感器、电流变送器、启动检测电路、监测保护电路、双馈电机、负载等组成，其控制系统原理框图如图4所示。

    采用PLC作为微控制器，MM440变频器作为双馈电机的励磁电源。PLC根据检测到的各个参数动态地控制变频器的输出，使双馈电机不仅能
正常带动负载运行，而且能对电网进行无功补偿，以提高双馈电机和局域电网的整体运行效率。

5 实验结果分析
    实验采用Pn=2．8 kW，nn=1 370 r·min-1的JR系列绕线转子电机。当双馈电机稳定运行后，保持变频器输出电压为17 V，控制变频器输出频率以0．3 Hz的步长增减，得到如图5a所示的双馈电机转子侧变频调速实验曲线，由图可见，实验结果与理论分析完全一致。

    双馈电机的另一个技术特点是能通过控制励磁电压的幅值，调节功率因数，从而节约能源和提高系统运行的稳定性。实验是在变频器输出频率为5 Hz时进行的，调节变频器的输出电压步长为1 V。双馈电机定子侧功率因数与转子励磁电压的关系曲线如图5b所示。
    对双馈电机而言，欠励时功率因数滞后，过励时功率因数超前，正常励磁时功率因数等于1。

6 结论
    所提出的MM4系列变频器输出特性的控制方法，特别适用于控制双馈电机等需要对频率和电压进行单独调节的负载。S7-200 PLC与MM4
系列变频器之间的USS通信功能提高了控制系统的响应速度和运行可靠性。所构建的双馈电机控制系统结构简单、成本低、抗干扰能力强，具有很好的人机交互界面，因此具有一定的实用价值和良好的应用前景。