郭穩(wěn)穩(wěn)

摘要：通過(guò)對(duì)基于雙饋電動(dòng)機(jī)的石油抽油泵風(fēng)力裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)，能充分利用風(fēng)力資源，達(dá)到降低開(kāi)發(fā)成本的效果;同時(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，易于推廣;系統(tǒng)清潔，無(wú)污染。

關(guān)鍵詞：PLC;變頻器;雙饋電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 ?PLC的工作原理及系統(tǒng)分析

PLC的工作方式是：不斷循環(huán)的順序掃描方式。

PLC的工作過(guò)程：①公共操作;②I/O操作;③執(zhí)行用戶操作;④執(zhí)行外設(shè)命令。

基于PLC的掃描模式執(zhí)行程序是工作的主要途徑，是高性能PLC的快速處理，主程序執(zhí)行掃描模式。所以，我們?cè)谘芯縋LC控制系統(tǒng)時(shí)。第一，我們必須要掌握PLC控制對(duì)象的工作過(guò)程和工藝要求。第二，我們要掌握PLC控制系統(tǒng)的中電氣、液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)的組成部分，并認(rèn)真分析電氣、液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)的控制原理。我們要了解檢測(cè)信號(hào)、各個(gè)控制指令、控制輸出信號(hào)這幾個(gè)部分與PLC的端口關(guān)系，還要了解它們之間的相互關(guān)系。第三，我們必須要掌握控制系統(tǒng)部分，并能對(duì)系統(tǒng)部分進(jìn)行演示和分析。

我們?cè)谟肞LC前，要對(duì)PLC進(jìn)行一些設(shè)置，需要進(jìn)行特殊設(shè)置的有以下三個(gè)參數(shù)：

1.1 高速計(jì)數(shù)器

電機(jī)轉(zhuǎn)子一側(cè)端安裝的有一個(gè)光電編碼器，只要電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，那么光電編碼器就會(huì)隨之產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖數(shù)量。

1.2 通信參數(shù)

在PLC里面，編寫好的控制程序必須要用PC來(lái)進(jìn)行下載，如果要與PC機(jī)建立在線連接，我們就必須要設(shè)置端口0的通信參數(shù)。因此，在這里要使PC機(jī)與PLC連接起來(lái)就要用到PC/PPI電纜。

1.3 斷電數(shù)據(jù)保持

西門子S7 200系列的PLC都可以在斷點(diǎn)時(shí)保護(hù)輸入的數(shù)據(jù)，同時(shí)我們可以在PLC斷了電時(shí)，設(shè)置之前儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)單元，這樣在下次開(kāi)機(jī)時(shí)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)寫入對(duì)應(yīng)的地址內(nèi)。

對(duì)于雙饋電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它不需要有保存記憶數(shù)據(jù)的功能。并且如果PLC默認(rèn)的儲(chǔ)存數(shù)據(jù)地址發(fā)生變化，那么就會(huì)影響到雙饋電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)下次的正常工作，所以我們必須在斷電之后將地址全部清除為零，這樣雙饋電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)才會(huì)正常的工作。

2 ?變頻器的選型

變頻器我們經(jīng)常使用的是西門子MicroMaster440/420，它是最為經(jīng)典的三相交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列的變頻器。西門子MicroMaster440/420利用磁通電流進(jìn)行控制變頻器的變頻特性，其中只有在低頻時(shí)才可以完成力矩的輸出，西門子MicroMaster440/420利用無(wú)閘狀態(tài)運(yùn)行，這樣可以對(duì)高速電流進(jìn)行很好的控制。

MicroMaster 420的輸出功率為0.12～90kW，為了滿足系統(tǒng)的各類變頻需求，MicroMaster 420搭配了雙饋電動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制，例如雙饋電動(dòng)機(jī)對(duì)電壓增幅進(jìn)行控制和對(duì)頻率進(jìn)行控制時(shí)，就可以完成功率因數(shù)和轉(zhuǎn)速的雙向調(diào)節(jié)。MicroMaster 440的輸出功率為0.75～90kW，它必須在精密度高和功率高的場(chǎng)地才能正常的工作。它必須用無(wú)速度傳感器矢量和生態(tài)節(jié)能來(lái)進(jìn)行控制，具有引導(dǎo)和控制功能，可以保證電梯的安全平穩(wěn)運(yùn)行。最后MicroMaster440故障檢測(cè)也對(duì)輸送帶進(jìn)行了優(yōu)化，這樣可以確保生產(chǎn)線的安全運(yùn)作。

對(duì)于雙饋電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，我們就要變頻器對(duì)頻率進(jìn)行控制，同時(shí)也能控制電壓幅值，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速和功率因數(shù)進(jìn)行分開(kāi)調(diào)節(jié)的功能。

3 ?變頻調(diào)速的基本原理

主回路（整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）控制回路保護(hù)回路構(gòu)成了變頻調(diào)速器。變頻調(diào)速的基本原理：通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源的頻率來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且使電機(jī)轉(zhuǎn)速和使用的工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p（式中的n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)）來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速適用于負(fù)荷來(lái)回變化的場(chǎng)所，采用這種方式可以減少電力消耗，達(dá)到節(jié)能的目的。

4 ?PLC與變頻器系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

1969 年美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司研制出第一個(gè)PLC，和通用汽車公司生產(chǎn)線的應(yīng)用是成功的，在1982年國(guó)際電工委員會(huì)將正式命名PLC為可編程序控制器（ProgramableLogic Controller，PLC）。

PLC的優(yōu)勢(shì)如下：①控制器的編程方法特別簡(jiǎn)單易學(xué)，好掌握;②功能強(qiáng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，性能比高;③硬件配套齊全，用戶使用起來(lái)比較方便;④可靠性高，抗干擾能力特別強(qiáng);⑤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少;⑥維修工作量少，維修方便;⑦體積小，輕便，能耗低。

變頻器的優(yōu)勢(shì)：①技術(shù)成熟;②縮短開(kāi)發(fā)周期;③降低開(kāi)發(fā)成本;④維護(hù)簡(jiǎn)單;⑤保護(hù)功能齊全。

總之，PLC和變頻器在生活中較為廣泛應(yīng)用。

5 ?雙饋電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)

雙饋電動(dòng)機(jī)不僅是屬于異步機(jī)的范疇，它還可以稱之為交流勵(lì)磁電機(jī)，異步化同步電機(jī)（Asynchronized Synchronous Motor），因?yàn)樗粋€(gè)獨(dú)立的勵(lì)磁繞組，在使用過(guò)程中，相同的同步電機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁提高功率因數(shù)。與此同時(shí)同步電機(jī)是直流勵(lì)磁，因此只有一個(gè)電流幅度的調(diào)整，這是唯一能夠調(diào)節(jié)無(wú)功功率的途徑。

與同步電機(jī)比較，雙饋電機(jī)勵(lì)磁既可以調(diào)整勵(lì)磁電流的幅值，也可以對(duì)其頻率進(jìn)行調(diào)整。另外，有功功率和無(wú)功功率可以通過(guò)振幅和相位進(jìn)行轉(zhuǎn)子勵(lì)磁控制來(lái)調(diào)節(jié)。雙饋電機(jī)在這里可以調(diào)節(jié)無(wú)功功率和無(wú)功功率。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)電機(jī)吸收設(shè)備的功率時(shí)，功率角就會(huì)跟著變大，電機(jī)的穩(wěn)定性就隨著功率角的變大而下降。雙饋電動(dòng)機(jī)通過(guò)調(diào)整勵(lì)磁電流的相位，來(lái)降低單位功率的角度，能使機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性得到提升。相比之下，異步發(fā)電機(jī)電網(wǎng)并列運(yùn)行之后，需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功的勵(lì)磁電流，有可能造成電網(wǎng)的功率因數(shù)變壞。所以雙饋電機(jī)具有更加優(yōu)越的運(yùn)行性能。

6 ?基于雙饋電動(dòng)機(jī)的石油抽油泵風(fēng)力裝置設(shè)計(jì)

圖1是以雙饋發(fā)電機(jī)為核心組成的石油抽油泵風(fēng)力裝置的構(gòu)成框圖。

當(dāng)工作的時(shí)候，向抽油泵電動(dòng)機(jī)提供50Hz的電源，同時(shí)要讓變頻器的輸出頻率k2隨著葉軸的轉(zhuǎn)速kR的變化進(jìn)行變化，即k2=100π-kR。

若風(fēng)力減弱，葉軸上的輸入功率P2R=（1-s）P2≈k（1-s）P1（在這里忽略電機(jī)銅耗PCu）變小，轉(zhuǎn)速kR也隨著變小，此時(shí)轉(zhuǎn)差率s增大。這個(gè)時(shí)候，變頻器的輸出頻率k2=2πf2會(huì)隨著控制器顯示的指令，自動(dòng)增加，變頻器的輸出功率P2=sP2≈sP1（此時(shí)電機(jī)的銅耗PCu可以忽略不計(jì)）也會(huì)隨著增加，負(fù)載功率P1的缺口得到了補(bǔ)償。當(dāng)風(fēng)力加大的時(shí)候，kR上升，s相應(yīng)的減小，而k2下降，P2也會(huì)相應(yīng)的減小。當(dāng)風(fēng)力特別大的時(shí)候，葉軸上的輸入風(fēng)力P2R就可能會(huì)比負(fù)載功率P1大，kR>100π，s變?yōu)樨?fù)。此時(shí)相序會(huì)自動(dòng)改變，讓k2變?yōu)樨?fù)的，此時(shí)過(guò)剩的風(fēng)力就會(huì)經(jīng)過(guò)變頻器回饋到電網(wǎng)。雙饋發(fā)電機(jī)就像是一種能量捕捉器，軸上輸入多少的機(jī)械功率它就可以采集多少，所以它就比較適合采集利用自然界中零星分散的能量。

圖2中：根據(jù)當(dāng)前的風(fēng)速，依靠“風(fēng)力機(jī)最佳效率運(yùn)算單元”，可以確定最佳的葉軸轉(zhuǎn)速kR的理想值，以此來(lái)保證風(fēng)力機(jī)能夠正常的在最佳效率區(qū)域內(nèi)工作;而“恒壓頻比換算單元”是能夠滿足泵機(jī)的調(diào)速要求的;信號(hào)k*1是由發(fā)電機(jī)的輸出功率給定的;U為發(fā)電機(jī)輸出相電壓的實(shí)際測(cè)得信號(hào)，U*為發(fā)電機(jī)輸出相電壓給定信號(hào);k**R為變頻器輸出頻率、I*2為變頻器的電流幅值、h*2為變頻器的相應(yīng)給定信號(hào);vF為環(huán)境風(fēng)速實(shí)測(cè)信號(hào)。

應(yīng)用這種雙饋電動(dòng)機(jī)組成的風(fēng)力裝置，能夠向石油抽油泵提供十分充足的電力，它有著十分顯著的節(jié)能效果。如果泵機(jī)能耗的20%可以有全能的風(fēng)力來(lái)提供的話，則一臺(tái)50kW的設(shè)備，大概只需要2年的時(shí)間就能夠收回全部的投資。這樣的設(shè)備在正常情況下，可以使用數(shù)十年之久，所以，還是有非常高的經(jīng)濟(jì)效益的。

7 ?石油抽油泵優(yōu)勢(shì)

根據(jù)減排的原則，我們可以在工程中推廣應(yīng)用，油泵廣泛應(yīng)用于石油開(kāi)采（俗稱“磕頭機(jī)”），采用雙饋電動(dòng)機(jī)主要由大功率設(shè)備的油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)（現(xiàn)在更應(yīng)該稱為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，約50千瓦），提供額外功率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。因此，我們首選石油抽油泵作為工程應(yīng)用，其理由如下：①一般來(lái)說(shuō)，抽油泵都放置在礦野中，這樣才能有效的捕捉零星的風(fēng)力資源，節(jié)能效果十分顯著，能得到相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。②抽油泵的設(shè)備具有離散型，較易構(gòu)成獨(dú)立的供電系統(tǒng)，供電質(zhì)量被要求降低。③抽油泵屬恒穩(wěn)性負(fù)載設(shè)備，所以設(shè)計(jì)出一個(gè)容量恰當(dāng)?shù)呐涮籽b置是十分有利的。能實(shí)現(xiàn)一次性投資，同時(shí)達(dá)到節(jié)能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益最佳的期望值。④從長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電裝置可借助抽油泵的機(jī)架，讓兩者合成為一個(gè)新的整體，這樣有利于進(jìn)一步降低設(shè)備成本，提高應(yīng)用的力度。⑤系統(tǒng)清潔，無(wú)污染。

8 ?結(jié)語(yǔ)

本文以提升我國(guó)的環(huán)境競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，改善工作環(huán)境，提高工作效率，對(duì)雙饋電動(dòng)機(jī)設(shè)備改造做了系統(tǒng)分析。通過(guò)對(duì)石油抽油泵風(fēng)力節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，節(jié)約了我國(guó)的資源，經(jīng)濟(jì)回報(bào)相當(dāng)可觀;通過(guò)對(duì)變頻調(diào)速技術(shù)、原理的應(yīng)用，闡述了變頻調(diào)速技術(shù)的基本概念、應(yīng)用的意義，以及我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，論證了變頻技術(shù)在生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用的可能性;通過(guò)對(duì)雙饋電動(dòng)機(jī)的改造，不僅提高了設(shè)備的效率，并滿足了生產(chǎn)工藝要求，從而大大降低了設(shè)備維修成本。

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