張葉

(晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，山西 晉中 030600)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，異步電機(jī)以其可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、易于控制的特點(diǎn)，在各行各業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。基于異步電機(jī)的控制方法，異步電機(jī)的控制需要通過變頻驅(qū)動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)，并且在進(jìn)行異步電機(jī)調(diào)速控制的時(shí)候，需用到可編程邏輯控制器(PLC)作為下位機(jī)，將具體的調(diào)速控制要求編寫成PLC程序，由PLC總體控制異步電機(jī)的調(diào)速過程，將具體的控制命令下發(fā)給變頻驅(qū)動(dòng)裝置，通過變頻驅(qū)動(dòng)裝置控制異步電機(jī)的調(diào)速。

2 變頻調(diào)速控制原理

異步電機(jī)的調(diào)速控制需要通過變頻驅(qū)動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)，變頻驅(qū)動(dòng)裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變頻驅(qū)動(dòng)裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變頻驅(qū)動(dòng)裝置的主電路主要分為三相四象限整流器和三相逆變器兩部分逆變器，四象限實(shí)現(xiàn)三相交流電到直流電的變換，逆變器實(shí)現(xiàn)直流電到三相交流電的變換。這樣就能實(shí)現(xiàn)交流電源頻率的改變。

異步電機(jī)的調(diào)速公式如式(1)所示。

其中，n為異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，f為異步電機(jī)的定子頻率，pn為異步電機(jī)的極對數(shù)。由式(1)中可以發(fā)現(xiàn)異步電機(jī)轉(zhuǎn)速n與異步電機(jī)的定子頻率f呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，即調(diào)節(jié)異步電機(jī)的定子頻率就能夠?qū)崿F(xiàn)對異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

根據(jù)電機(jī)學(xué)的原理，則可以的得到異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:

其中，Φm為氣隙中的磁通，I2為轉(zhuǎn)子中的電流，cosφ2為轉(zhuǎn)子側(cè)的功率因數(shù)，這些變量都是存在耦合關(guān)聯(lián)的，無法對其進(jìn)行直接控制。正是由于異步電機(jī)中的多個(gè)變量存在耦合關(guān)系，從而使得異步電機(jī)無法像直流他勵(lì)電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)解耦控制。

矢量控制技術(shù)能夠有效處理異步電機(jī)控制變量耦合的問題，成功的將異步電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了解耦處理，能夠分別進(jìn)行獨(dú)立控制。其基本思想是將異步電機(jī)定子側(cè)的電流矢量分解為勵(lì)磁電流(等同與直流電機(jī)的勵(lì)磁電流)分量和轉(zhuǎn)矩電流(等同于直流電機(jī)的電樞電流)分量，勵(lì)磁電流分量用于產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)矩電流分量用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，并同時(shí)對兩個(gè)變量的幅值和相位進(jìn)行控制。具體方法是將異步電機(jī)的三相靜止坐標(biāo)系下三相定子電流IA、IB、IC，基于磁場等效原則通過坐標(biāo)變換，得到兩相靜止坐標(biāo)系下的正交電流Ia、Ib，在通過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，得到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電流IM、IT(IM等同于勵(lì)磁電流、IT等同于電樞電流)。然后采用直流電機(jī)的控制方法，計(jì)算得到控制量，再通過上述坐標(biāo)變換的逆變換過程，實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)的控制。其本質(zhì)就是從數(shù)學(xué)模型的角度出發(fā)，將交流電機(jī)變換為直流電機(jī)，分別對解耦后磁場分量和轉(zhuǎn)矩分量進(jìn)行獨(dú)立控制，矢量控制的原理如圖2所示。

圖2 矢量控制原理

3 變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件組成

異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能就是實(shí)現(xiàn)對異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的控制。該調(diào)速系統(tǒng)的硬件構(gòu)成主要包括:電源設(shè)備、上位機(jī)(計(jì)算機(jī))、下位機(jī)(PLC)、調(diào)速電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、制動(dòng)裝置、傳感器等，如圖3所示。

圖3 異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成

計(jì)算機(jī)在異步電機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中承擔(dān)上位機(jī)的作用，是調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，通過計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的硬件組態(tài)配置、通信模式的設(shè)置、以及狀態(tài)參數(shù)的顯示和控制參數(shù)的下發(fā)；PLC承擔(dān)下位機(jī)的作用，能夠?qū)崟r(shí)接收上位機(jī)下發(fā)的控制命令，對整個(gè)調(diào)速過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制；電源設(shè)備包括了380V動(dòng)力電源(給變頻驅(qū)動(dòng)裝置提供電源)、24V控制電源(給PLC、變頻驅(qū)動(dòng)裝置，傳感器等提供控制電源)、變頻驅(qū)動(dòng)裝置(共有兩套，其中一套用于給調(diào)速電機(jī)供電，另一套用于給負(fù)載電機(jī)供電)；電壓、電流傳感器負(fù)責(zé)采集異步電機(jī)的定子側(cè)電壓和電流，電信號經(jīng)過PLC的模擬量采樣通道實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后再傳送到PLC，速度信號由光電編碼器采集，然后再傳送到PLC。

PLC選用西門子公司的S7－300系列的模塊化PLC，主要包括了電源模塊、CPU功能模塊、信號采集模塊、接口模塊等，全部模塊均布設(shè)在機(jī)架上。變頻驅(qū)動(dòng)裝置是異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，選用西門子公司的Sinamics S120，能夠?qū)崿F(xiàn)矢量控制功能，該變頻驅(qū)動(dòng)裝置同樣采用了模塊化結(jié)構(gòu)，包括了主控單元CU320、進(jìn)線接口模塊、四象限整流模塊、逆變器模塊等，具體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Sinamics S120組成結(jié)構(gòu)

控制單元CU320，是變頻驅(qū)動(dòng)器的核心所在，是變頻驅(qū)動(dòng)器的控制中樞，實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中磁鏈環(huán)、轉(zhuǎn)矩環(huán)的控制，并且具備與其他模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的實(shí)時(shí)能力；進(jìn)線接口模塊實(shí)際上就是濾波器，能夠?qū)碜杂陔娋W(wǎng)的交流電壓、交流電流進(jìn)行處理；四象限整流模塊具備閉環(huán)整流功能和閉環(huán)回饋功能，將三相交流電整流得到直流電供給逆變器；逆變器模塊將直流電再變換為頻率可調(diào)的交流電，供給異步電機(jī)使用。

4 能量回饋原理

該異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)采用了共直流母線結(jié)構(gòu)，能夠?qū)⒐ぷ髟诎l(fā)電狀態(tài)下的異步電機(jī)發(fā)出的能量回饋到直流母線處，用于給工作在電動(dòng)狀態(tài)下的異步電機(jī)提供能量。直流共母線結(jié)構(gòu)允許在一個(gè)四象限整流模塊的直流母線側(cè)并聯(lián)多個(gè)逆變器模塊，這樣設(shè)計(jì)的好處是能夠以實(shí)際的電機(jī)工作狀態(tài)為依據(jù)，將同一時(shí)刻處于不同狀態(tài)的電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化組合，保證直流母線側(cè)的功率能夠維持在一個(gè)較低的水平，對能源進(jìn)行有效地利用，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用。

在該異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)速電機(jī)在變頻驅(qū)動(dòng)裝置的控制下，輸出正轉(zhuǎn)矩，工作在電動(dòng)狀態(tài)；負(fù)載電機(jī)同樣在變頻驅(qū)動(dòng)裝置的控制下，輸出負(fù)轉(zhuǎn)矩，工作在發(fā)電狀態(tài)，其發(fā)出的電能能夠通過逆變器模塊回饋到直流母線，再由另一個(gè)逆變器模塊給調(diào)速電機(jī)供電，由調(diào)速電機(jī)消耗掉。綜合考慮變頻驅(qū)動(dòng)裝置的損耗情況，調(diào)速電機(jī)出去消耗掉負(fù)載電機(jī)發(fā)出的電能外，還需要消耗來自于四象限整流器的能量，能量回饋原理如圖5所示。

圖5 能量回饋原理

5 變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件開發(fā)

硬件設(shè)備是變頻調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件是調(diào)變頻速系統(tǒng)的核心，二者需要相互協(xié)調(diào)配合，才能夠保證變頻調(diào)速系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC與S120之間的通信實(shí)現(xiàn)及PLC調(diào)速控制軟件的設(shè)計(jì)兩部分。

5.1 PLC與S120通信實(shí)現(xiàn)

PLC與S120之間的通信通過報(bào)文的配置來實(shí)現(xiàn)，報(bào)文是指網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信息交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元，報(bào)文中包含了需要發(fā)送或接收的完整的數(shù)據(jù)。該調(diào)速系統(tǒng)中的四象限整流模塊選用的是“SIEMENS telegram 370－PZD1/1”報(bào)文，兩個(gè)逆變器模塊選用的是“Standard telegram 1－PZD2/2”報(bào)文，兩種報(bào)文的具體內(nèi)容如表1和表2所示。

表1 “SIEMENS telegram 370－PZD1/1”報(bào)文內(nèi)容

表2 “Standard telegram 1－PZD2/2”報(bào)文內(nèi)容

5.2 PLC控制軟件開發(fā)

PLC控制軟件實(shí)現(xiàn)對整個(gè)異步電機(jī)調(diào)速過程的全自動(dòng)控制，按照要求的流程編寫控制程序，其負(fù)載的控制，轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)不需要人工參與，具體的控制流程如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)控制流程

根據(jù)PLC的軟件控制流程，需要對控制數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，然后才能開始試驗(yàn)。調(diào)速電機(jī)在逐步升速到給定頻率空載運(yùn)行，改變負(fù)載電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩對調(diào)速電機(jī)加載，則進(jìn)入帶載運(yùn)行工況，此時(shí)開始進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、存儲(chǔ)，在PLC程序的控制下完試驗(yàn)流程。在試驗(yàn)過程中，S120變頻驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)時(shí)進(jìn)行故障檢測，如果檢測到故障，則停止測試，排查問題。

6 負(fù)載試驗(yàn)

負(fù)載試驗(yàn)的進(jìn)行條件是，額定電源電壓下，電機(jī)在特定的頻率時(shí)帶載運(yùn)行，通過測量轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、定子電流I1、功率因數(shù)Cos?、電機(jī)效率η，輸出功率n以及其他相關(guān)聯(lián)參數(shù)得到該變頻電機(jī)的工作特性[n，Te，I1，cos?，η＝f(P2)]和機(jī)械特性n＝f(Te)。工作特性和機(jī)械性能能夠有效反應(yīng)出電機(jī)的性能。測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 被測電機(jī)變頻器輸出數(shù)據(jù)(35Hz)

7 結(jié)論

本文基于西門子s7－300PLC和SinamicsS120變頻驅(qū)動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)了基于自動(dòng)控制技術(shù)的變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，很好的將自動(dòng)控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)融合在一起，通過PLC實(shí)現(xiàn)調(diào)速流程的全自動(dòng)控制，S120變頻驅(qū)動(dòng)裝置接收PLC下發(fā)的命令對調(diào)速電機(jī)進(jìn)行控制，這種變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。