基於plc和變頻器的雙饋電動機節能控制系統及方法
2023-12-01 06:27:11 2
專利名稱：基於plc和變頻器的雙饋電動機節能控制系統及方法
技術領域：
本發明屬於雙饋電動機的控制領域，尤其涉及一種基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統及控制方法。
背景技術：
隨著電力電子技術的發展，大功率半導體器件構成的變流器和雙饋電動機組成的雙饋調速系統，得到了許多人的重視，其主要工作原理是雙饋電動機的定、轉子三相繞組分別接到兩個獨立的對稱電源，其中定子繞組的電源為固定頻率的工業電源，而轉子繞組電源是電壓幅值、頻率、相位均需按運行要求分別進行調節。該調速方式具有功率因數可調、 效率高、變頻裝置容量小等優點。但由於轉子變頻電源需要採用專用勵磁控制系統，研製周期長、成本較高、可靠性較低，節能性較差。所以，研究和發明一種新的控制經技術是十分必要的。
發明內容
發明目的本發明提供一種基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統及控制方法，其目的是解決以往的控制模式，結構複雜、可靠性低的問題，並且克服了傳統的雙饋電機在驅動控制中需要專用勵磁電源的缺陷。技術方案本發明是通過以下技術方案來實現的
一種基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統，其特徵在於該系統包括啟動開關、狀態切換開關、保護開關、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機互動界面、降壓變壓器、變頻器輸入電抗器、轉速檢測單元和啟動控制單元；
在所述雙饋電動機的定子側，定子通過啟動開關和保護裝置連接至電網；在所述雙饋電動機的轉子側，轉子通過狀態切換開關、保護開關、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網。所述狀態切換開關由兩個交流接觸器組成，第一個交流接觸器常開觸點的一端接雙饋電動機的轉子啟動電阻，另一端與雙饋電動機的轉子相連；第二個交流接觸器的常開觸點的一端經過降壓電壓器接變頻器的輸出端，另一端與雙饋電動機的轉子相連；
所述保護開關由一個交流接觸器組成，該交流接觸器的常開觸點的一端短接在一起， 另一端與雙饋電動機的轉子相連。該系統還包括控制單元，控制單元主要包括相位檢測單元、頻率檢測單元、幅值檢測單元、電壓幅值檢測單元、電流幅值檢測單元、系統保護單元和變頻器容量利用單元；
所述相位檢測單元與變頻器的輸出相連；所述頻率檢測單元一端連接一個光電編碼器，另一端與PLC的高速脈衝計數端相連；所述幅值切入單元一端與雙饋電動機轉子相連， 另一端與PLC自身集成的A/D轉換通道相連；所述電壓幅值檢測單元一端與雙饋電動機定子側的一相相連，另一端與A/D採樣模塊EM235相連；所述電流幅值檢測單元一端與雙饋電動機定子的一相相連，另一端與EM235相連；所述系統保護單元一端與雙饋電動機轉子相連，另一端短接；同時PLC的輸入觸點與變頻器的繼電器輸出觸點通過24V直流電源相連； 所述變頻器容量利用單元的一端與變頻器輸出端子相連，另一端與雙饋電動機轉子相連。採用PLC作為微控制器、採用西門子MM440變頻器作為勵磁電源。利用上述基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統的節能控制方法，其特徵在於具體控制步驟如下
(1)、按下啟動按鈕，雙饋電動機定子側交流接觸器Q4線圈上電，雙饋電動機轉子側交流接觸器Ql線圈上電，雙饋電動機定子側交流接觸器Q2線圈失電，雙饋電動機轉子側交流接觸器Q3線圈失電，雙饋電動機以普通異步電機的形式轉子串接電阻啟動；
(2)、啟動結束後，控制程序檢測雙饋電動機穩定運行時的各個參數，主要包括饋入點的相位檢測、饋入點的頻率檢測、饋入點的幅值檢測，PLC根據檢測到的參數控制變頻器的輸出，使其符合雙饋電動機饋電的要求；
(3)、用變頻器作為雙饋電動機轉子側的勵磁變頻電源，當PLC確定變頻器的輸出特性符合雙饋電動機的饋電要求時，雙饋電動機轉子側交流接觸器Q2線圈上電，控制系統轉入雙饋運行模式，然後將雙饋電動機轉子側串接的啟動電阻切除；
(4)、PLC檢測到饋電成功後轉入系統節能控制程序，設定視在功率基值&，並用A/D轉換模塊採集雙饋電動機定子側電壓和電流的幅值，利用中斷程序定時計算視在功率的瞬時值S1, PLC根據檢測到的相關參數值，動態設置變頻器的參數，改變變頻器的輸出，從而將雙饋電動機控制在容性區，且使雙饋電動機的視在功率基本保持恆定；
(5)、當雙饋電動機的負載變輕時，從雙饋電動機的定子側反饋回的電壓與電流信號經過PLC計算轉換成瞬時視在功率S1，且瞬時視在功率S1減去視在功率設定值&小於0，則執行控制程序增大變頻器的輸出電壓V，使功率因數下降；直至瞬時視在功率S1減去視在功率設定值&等於0，程序跳轉；
(6)、當雙饋電動機的負載變重時，從雙饋電動機定子側反饋回的電壓與電流信號經過 PLC計算轉換成瞬時視在功率&，且瞬時視在功率&減去視在功率設定值&大於0，則執行控制程序減小變頻器的輸出電壓V，使功率因數增大；直至瞬時視在功率&減去視在功率設定值&等於0，程序跳轉；
(7)、當PLC檢測到有異常現象發生時，如變送器發生故障或MM440發生故障，PLC自動轉入監測保護控制程序，雙饋電動機轉子側交流接觸器Q3線圈上電，雙饋電動機轉子側交流接觸器Ql線圈失電，雙饋電動機轉子側交流接觸器Q2線圈失電，將雙饋電動機轉入普通的異步電機運行模式帶載運行。優點及效果本發明提供一種基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統及控制方法，本發明有效改變了傳統的控制模式，不僅控制結構簡單、可靠性高，而且克服了雙饋電機在驅動控制中需要專用勵磁電源的缺陷，降低了控制成本；對於大功率和高電壓雙饋電動機，利用此項控制技術不僅能降低系統成本還可以有效實現系統的節能控制和無功補償。本發明針對雙饋電動機勵磁控制技術的特殊性建立了雙饋電機勵磁電壓和勵磁頻率的控制模型，根據建立的控制模型，研究出一種基於PLC和變頻器的雙饋電機勵磁控制技術和以小容量變頻器驅動控制大容量雙饋電機的控制技術。本發明專利採用技術成熟、性能可靠的PLC和MM440變頻器等集成器件設計了新
5型雙饋電機控制系統，不僅結構簡捷、可靠性高，而且可以發揮出雙饋電機特有的控制優勢和節能的特點，以小容量的變頻器控制大容量的雙饋電機，無論是從系統節能的層面考慮， 還是從控制系統成本的層面考慮都具有很高的實用價值。本發明的有益效果是
1、本發明可以用PLC作為系統的微控制器，用西門子的MM440變頻器作為雙饋電機的勵磁電源，採用本發明的設計方法和控制算法，可有效縮短研發時間、降低成本，提高系統運行的可靠性。2、能夠實現對高電壓和大容量的雙饋電機的控制，特別是對於定子側電壓達到上千伏、上萬伏的雙饋電機此種控制方法尤其具有優越性。同時，採用技術成熟的西門子 MM440變頻器，不但克服了以往雙饋電機需要研製專用勵磁控制器的缺陷，而且也提高了系統的可靠性，降低了控制成本。3、實現雙饋電機傳動系統的高效與節能運行。輕載時向電網提供容性的無功補償，重載時工作在單位功率因數附近，以提高雙饋電機傳動系統的工作效率，並能充分利用電機的儲備容量，取得顯著的節能效果。
圖1是雙饋電動機系統節能控制的硬體框圖； 圖2是雙饋電動機系統節能控制的軟體流程圖； 圖3是MM440變頻器頻率一定，電壓連續可調時的V/F曲線圖； 圖4是MM440變頻器電壓一定，頻率連續可調時的V/F曲線圖； 圖5是控制電動機的速度和變頻器的輸出電壓之間的相對關係圖； 圖6是ADC標定的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步的說明
如圖1所示，本發明提供一種基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統，該系統包括啟動開關、狀態切換開關、保護開關、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機互動界面、降壓變壓器、變頻器輸入電抗器、轉速檢測單元和啟動檢測單元；
在所述雙饋電動機的定子側，定子通過啟動開關和保護裝置連接至電網；在所述雙饋電動機的轉子側，轉子通過狀態切換開關、保護開關、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網。所述狀態切換開關由兩個交流接觸器組成，第一個交流接觸器常開觸點的一端接雙饋電動機的轉子啟動電阻，另一端與雙饋電動機的轉子相連；第二個交流接觸器的常開觸點的一端接變頻器的輸出，另一端與雙饋電動機的轉子相連；
所述保護開關由一個交流接觸器組成，該交流接觸器的常開觸點的一端短接在一起， 另一端與雙饋電動機的轉子相連。該系統還包括控制單元，控制單元主要包括相位切入檢測單元、頻率切入檢測單元、幅值切入檢測單元、電壓幅值檢測單元、電流幅值檢測單元、系統保護單元和變頻器容量利用單元；
所述相位檢測切入單元與變頻器的輸出相連；所述頻率檢測單元一端連接一個光電編碼器，另一端與PLC的高速脈衝計數端相連；所述幅值切入單元一端與雙饋電動機轉子相連，另一端與PLC自身集成的A/D轉換通道相連；所述電壓幅值檢測單元一端與雙饋電動機定子側的一相相連，另一端與A/D採樣模塊EM235相連，用於檢測該相電壓的幅值；所述電流幅值檢測單元一端與雙饋電動機定子的一相相連，另一端與EM235相連，用於檢測該相電流的幅值；所述系統保護單元一端與雙饋電動機轉子相連，另一端短接；同時PLC的輸入觸點與變頻器的繼電器輸出觸點通過24V直流電源相連；所述變頻器容量利用單元的一端與變頻器輸出端子相連，另一端與雙饋電動機轉子相連。採用PLC作為微控制器，採用西門子MM440變頻器作為勵磁電源。本發明可以實現PLC控制雙饋電動機啟動時的軟切入；可以用小功率的變頻器作為勵磁電源控制大功率的雙饋電動機實現系統節能控制；
利用上述的基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統的節能控制方法，如下
(1)、按下啟動按鈕，雙饋電動機定子側交流接觸器(Q4)線圈上電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Ql)線圈上電，雙饋電動機定子側交流接觸器(Q2)線圈失電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q3)線圈失電，雙饋電動機以普通異步電機的形式轉子串接電阻啟動；
(2)、啟動結束後，控制程序檢測雙饋電動機穩定運行時的各個參數，主要包括饋入點的相位檢測、饋入點的頻率檢測、饋入點的幅值檢測，PLC根據檢測到的參數控制變頻器的輸出，使其符合雙饋電動機饋電的要求；
(3)、用變頻器作為雙饋電動機轉子側的(勵磁)變頻電源，當PLC確定變頻器的輸出特性符合雙饋電動機的饋電要求時，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q2)線圈上電，控制系統轉入雙饋運行模式，然後將雙饋電動機轉子側串接的啟動電阻切除；
(4)、PLC檢測到饋電成功後轉入系統節能控制程序，設定視在功率基值(Stl),並用A/D 轉換模塊採集雙饋電動機定子側電壓和電流的幅值，利用中斷程序定時計算視在功率的瞬時值(S1), PLC根據檢測到的相關參數值，動態設置變頻器的參數，改變變頻器的輸出，從而將雙饋電動機控制在容性區，且使雙饋電動機的視在功率基本保持恆定；
(5)、當雙饋電動機的負載變輕時，從雙饋電動機的定子側反饋回的電壓與電流信號經過PLC計算轉換成瞬時視在功率(S1),且瞬時視在功率(S1)減去視在功率設定值(Stl)小於 0，則執行控制程序增大變頻器的輸出電壓(V)，使功率因數下降；直至瞬時視在功率(S1) 減去視在功率設定值(Stl)等於0，程序跳轉；
(6)、當雙饋電動機的負載變重時，從雙饋電動機定子側反饋回的電壓與電流信號經過 PLC計算轉換成瞬時視在功率(S2)，且瞬時視在功率(S2)減去視在功率設定值(Stl)大於0， 則執行控制程序減小變頻器的輸出電壓(V)，使功率因數增大；直至瞬時視在功率(S2)減去視在功率設定值(Stl)等於0，程序跳轉；
(7)、當PLC檢測到有異常現象發生時，如變送器發生故障或MM440發生故障，PLC自動轉入監測保護控制程序，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q3)線圈上電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Ql)線圈失電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q2)線圈失電，將雙饋電動機轉入普通的異步電機運行模式帶載運行。本發明的主要目的在於
㈠、實現用PLC和變頻器完成雙饋電動機的(運行)控制； (二)、實現以小容量變頻器驅動控制大容量雙饋電動機； 曰、實現雙饋電動機的系統節能(和無功補償)控制。_、實現低成本、可靠性高的雙饋電動機、雙饋發電機勵磁控制系統；本發明實現的關鍵點在於
①、尋找到一種方法，以技術成熟的小容量的變頻器驅動控制大容量的雙饋電機，充分利用變頻器的容量和自身的保護措施，降低控制成本，提高控制系統的可靠性；
②、針對雙饋電機勵磁控制技術的特殊性，建立雙饋電機勵磁電壓和勵磁頻率的控制模型；
③、根據控制模型，尋找到一種控制方法，將變頻器的輸出電壓與輸出頻率分開控制， 以滿足雙饋電機勵磁控制技術的要求；
、在MM440變頻器與雙饋電機的轉子之間加一降壓變壓器，不僅起到變頻器輸出電
抗器的作用，而且可以有效解除變頻器長期在低頻、低壓工作時輸出功率小的限制，達到以小容量變頻器控制大容量雙饋電機的目的。本發明採用西門子的S7-200的PLC與MM440變頻器恰好能滿足小容量變頻器驅動控制大容量雙饋電動機的要求；PLC與變頻器之間採用USS通信協議進行信息傳遞，在系統運行過程中，PLC可以根據檢測到的參數動態修改變頻器的相關參數，從而實現PLC對變頻器輸出特性的動態調節，使變頻器的輸出頻率和輸出電壓分開控制，從而很好地滿足雙饋電動機轉子側勵磁控制的要求。在MM440變頻器與雙饋電機的轉子之間加一降壓變壓器，該降壓變壓器不但起到變頻器輸出電抗器的作用，可以延長變頻器的有效傳輸距離，有效抑制變頻器的IGBT模塊開關時產生的瞬間高壓；而且可以有效解除變頻器長期在低頻、低壓工作時輸出電流小的限制，從而可以提高變頻器的輸出功率，達到以小容量變頻器控制大容量雙饋電機的目的。本發明的系統的工作原理用PLC作為微控制器，用MM440變頻器作為雙饋電動機的勵磁電源，以系統節能作為控制目標。PLC根據檢測到的參數控制電機雙饋模式的饋入與電機系統節能模式的運行。整個系統由西門子S7-200的PLC、MM440變頻器、觸控螢幕、電壓變送器、電流互感器、電流變送器、啟動檢測電路、降壓變壓器、監測保護電路、雙饋電動機、 負載等組成。PLC根據檢測到的各個參數動態地控制變頻器的輸出，使雙饋電動機工作在過勵狀態，輕載時向電網提供容性的無功補償，重載時工作在單位功率因數附近，以提高雙饋電機和局域電網組成的系統的整體的工作效率。該方法採用技術成熟、性能可靠的PLC 和變頻器等器件，理論分析和實驗表明所提出的控制技術可行，不僅結構簡捷，而且可靠性高，具有很高的實用價值。雙饋電動機的勵磁控制模型如下 雙饋電機的基本方程
選取dq同步旋轉坐標系，將坐標軸d方向與定子磁鏈麫一致，這樣Ψγ = ΨΑι,
VZO。，定子電壓領先於定子磁鏈90°時間電角度，因此定子電壓A應落在q軸上，即 「^1=A為常數，《dl=0。定子電流同樣可分轉矩電流分量和磁場電流分量idl。在同步旋轉坐標系(dq)中，採用電動機慣例，定子磁場定向雙饋電機的基本方程如下
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S^Lu ZJ} SS^1 ^2HhZ1Zi ^β
8式中=L1是定子繞組電感；r 2、L2分別為折算到定子側的轉子繞組電阻與電感；L m為定轉子繞組間的互感；下標1，2分別表示定子量和轉子量；D = d/dt為微分算子。上式即為在同步旋轉坐標系(dq)下的雙饋電機的基本方程。勵磁電壓控制特性
權利要求
1.一種基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統，其特徵在於該系統包括啟動開關、狀態切換開關、保護開關、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機互動界面、降壓變壓器、 變頻器輸入電抗器、轉速檢測單元和啟動控制單元；在所述雙饋電動機的定子側，定子通過啟動開關和保護裝置連接至電網；在所述雙饋電動機的轉子側，轉子通過狀態切換開關、保護開關、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網。
2.根據權利要求1所述的基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統，其特徵在於 所述狀態切換開關由兩個交流接觸器組成，第一個交流接觸器常開觸點的一端接雙饋電動機的轉子啟動電阻，另一端與雙饋電動機的轉子相連；第二個交流接觸器的常開觸點的一端經過降壓電壓器接變頻器的輸出端，另一端與雙饋電動機的轉子相連；所述保護開關由一個交流接觸器組成，該交流接觸器的常開觸點的一端短接在一起， 另一端與雙饋電動機的轉子相連。
3.根據權利要求1所述的基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統，其特徵在於 該系統還包括控制單元，控制單元主要包括相位檢測單元、頻率檢測單元、幅值檢測單元、 電壓幅值檢測單元、電流幅值檢測單元、系統保護單元和變頻器容量利用單元；所述相位檢測單元與變頻器的輸出相連；所述頻率檢測單元一端連接一個光電編碼器，另一端與PLC的高速脈衝計數端相連；所述幅值切入單元一端與雙饋電動機轉子相連， 另一端與PLC自身集成的A/D轉換通道相連；所述電壓幅值檢測單元一端與雙饋電動機定子側的一相相連，另一端與A/D採樣模塊EM235相連；所述電流幅值檢測單元一端與雙饋電動機定子的一相相連，另一端與EM235相連；所述系統保護單元一端與雙饋電動機轉子相連，另一端短接；同時PLC的輸入觸點與變頻器的繼電器輸出觸點通過24V直流電源相連； 所述變頻器容量利用單元的一端與變頻器輸出端子相連，另一端與雙饋電動機轉子相連。
4.根據權利要求1、2或3所述的基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統，其特徵在於採用PLC作為微控制器、採用西門子MM440變頻器作為勵磁電源。
5.利用上述權利要求所述的基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統的節能控制方法，其特徵在於具體控制步驟如下(1)、按下啟動按鈕，雙饋電動機定子側交流接觸器(Q4)線圈上電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Ql)線圈上電，雙饋電動機定子側交流接觸器(Q2)線圈失電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q3)線圈失電，雙饋電動機以普通異步電機的形式轉子串接電阻啟動；(2)、啟動結束後，控制程序檢測雙饋電動機穩定運行時的各個參數，主要包括饋入點的相位檢測、饋入點的頻率檢測、饋入點的幅值檢測，PLC根據檢測到的參數控制變頻器的輸出，使其符合雙饋電動機饋電的要求；(3)、用變頻器作為雙饋電動機轉子側的勵磁變頻電源，當PLC確定變頻器的輸出特性符合雙饋電動機的饋電要求時，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q2)線圈上電，控制系統轉入雙饋運行模式，然後將雙饋電動機轉子側串接的啟動電阻切除；(4)、PLC檢測到饋電成功後轉入系統節能控制程序，設定視在功率基值(Stl)，並用A/D 轉換模塊採集雙饋電動機定子側電壓和電流的幅值，利用中斷程序定時計算視在功率的瞬時值(S1), PLC根據檢測到的相關參數值，動態設置變頻器的參數，改變變頻器的輸出，從而將雙饋電動機控制在容性區，且使雙饋電動機的視在功率基本保持恆定；(5)、當雙饋電動機的負載變輕時，從雙饋電動機的定子側反饋回的電壓與電流信號經過PLC計算轉換成瞬時視在功率(S1),且瞬時視在功率(S1)減去視在功率設定值(Stl)小於 0，則執行控制程序增大變頻器的輸出電壓(V)，使功率因數下降；直至瞬時視在功率(S1) 減去視在功率設定值(Stl)等於0，程序跳轉；(6)、當雙饋電動機的負載變重時，從雙饋電動機定子側反饋回的電壓與電流信號經過 PLC計算轉換成瞬時視在功率(S2)，且瞬時視在功率(S2)減去視在功率設定值(Stl)大於0， 則執行控制程序減小變頻器的輸出電壓(V)，使功率因數增大；直至瞬時視在功率(S2)減去視在功率設定值(Stl)等於0，程序跳轉；(7)、當PLC檢測到有異常現象發生時，如變送器發生故障或MM440發生故障，PLC自動轉入監測保護控制程序，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q3)線圈上電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Ql)線圈失電，雙饋電動機轉子側交流接觸器(Q2)線圈失電，將雙饋電動機轉入普通的異步電機運行模式帶載運行。
全文摘要
本發明提供一種基於PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統，其特徵在於該系統包括啟動開關、狀態切換開關、保護開關、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機互動界面、降壓變壓器、變頻器輸入電抗器、轉速檢測單元和啟動控制單元；在所述雙饋電動機的定子側，定子通過啟動開關和保護裝置連接至電網；在所述雙饋電動機的轉子側，轉子通過狀態切換開關、保護開關、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網。本發明不僅結構簡捷、可靠性高，而且可以發揮出雙饋電機特有的控制優勢和節能的特點。
文檔編號H02P21/14GK102340270SQ20111023393
公開日2012年2月1日 申請日期2011年8月16日 優先權日2011年8月16日
發明者盧博, 林成武 申請人:瀋陽工業大學