專利名稱：基于plc和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于雙饋電動機的控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大功率半導(dǎo)體器件構(gòu)成的變流器和雙饋電動機組成的雙饋調(diào)速系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(yè)電源，而轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。該調(diào)速方式具有功率因數(shù)可調(diào)、 效率高、變頻裝置容量小等優(yōu)點。但由于轉(zhuǎn)子變頻電源需要采用專用勵磁控制系統(tǒng)，研制周期長、成本較高、可靠性較低，節(jié)能性較差。所以，研究和實用新型一種新的控制經(jīng)技術(shù)是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容實用新型目的本實用新型提供一種基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)及控制方法，其目的是解決以往的控制模式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低的問題，并且克服了傳統(tǒng)的雙饋電機在驅(qū)動控制中需要專用勵磁電源的缺陷。技術(shù)方案本實用新型是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的一種基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括啟動開關(guān)、狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機交互界面、降壓變壓器、變頻器輸入電抗器、轉(zhuǎn)速檢測單元和啟動控制單元；在所述雙饋電動機的定子側(cè)，定子通過啟動開關(guān)和保護裝置連接至電網(wǎng)；在所述雙饋電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)子通過狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網(wǎng)。所述狀態(tài)切換開關(guān)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(zhuǎn)子啟動電阻，另一端與雙饋電動機的轉(zhuǎn)子相連；第二個交流接觸器的常開觸點的一端經(jīng)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(zhuǎn)子相連；所述保護開關(guān)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(zhuǎn)子相連。該系統(tǒng)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(tǒng)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的高速脈沖計數(shù)端相連；所述幅值切入單元一端與雙饋電動機轉(zhuǎn)子相連，另一端與PLC自身集成的A/D轉(zhuǎn)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(cè)的一相相連，另一端與A/D采樣模塊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(tǒng)保護單元一端與雙饋電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子相連。采用PLC作為微控制器、采用西門子MM440變頻器作為勵磁電源。優(yōu)點及效果本實用新型提供一種基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)及控制方法，本實用新型有效改變了傳統(tǒng)的控制模式，不僅控制結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，而且克服了雙饋電機在驅(qū)動控制中需要專用勵磁電源的缺陷，降低了控制成本；對于大功率和高電壓雙饋電動機，利用此項控制技術(shù)不僅能降低系統(tǒng)成本還可以有效實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能控制和無功補償。本實用新型針對雙饋電動機勵磁控制技術(shù)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(jù)建立的控制模型，研究出一種基于PLC和變頻器的雙饋電機勵磁控制技術(shù)和以小容量變頻器驅(qū)動控制大容量雙饋電機的控制技術(shù)。本實用新型專利采用技術(shù)成熟、性能可靠的PLC和MM440變頻器等集成器件設(shè)計了新型雙饋電機控制系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡捷、可靠性高，而且可以發(fā)揮出雙饋電機特有的控制優(yōu)勢和節(jié)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(tǒng)節(jié)能的層面考慮，還是從控制系統(tǒng)成本的層面考慮都具有很高的實用價值。本實用新型的有益效果是1、本實用新型可以用PLC作為系統(tǒng)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，采用本實用新型的設(shè)計方法和控制算法，可有效縮短研發(fā)時間、降低成本，提高系統(tǒng)運行的可靠性。2、能夠?qū)崿F(xiàn)對高電壓和大容量的雙饋電機的控制，特別是對于定子側(cè)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(yōu)越性。同時，采用技術(shù)成熟的西門子 MM440變頻器，不但克服了以往雙饋電機需要研制專用勵磁控制器的缺陷，而且也提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了控制成本。3、實現(xiàn)雙饋電機傳動系統(tǒng)的高效與節(jié)能運行。輕載時向電網(wǎng)提供容性的無功補償，重載時工作在單位功率因數(shù)附近，以提高雙饋電機傳動系統(tǒng)的工作效率，并能充分利用電機的儲備容量，取得顯著的節(jié)能效果。


圖1是雙饋電動機系統(tǒng)節(jié)能控制的硬件框圖；圖2是雙饋電動機系統(tǒng)節(jié)能控制的軟件流程圖；圖3是MM440變頻器頻率一定，電壓連續(xù)可調(diào)時的V/F曲線圖；圖4是MM440變頻器電壓一定，頻率連續(xù)可調(diào)時的V/F曲線圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步的說明如圖1所示，本實用新型提供一種基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)， 該系統(tǒng)包括啟動開關(guān)、狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機交互界面、降壓變壓器、變頻器輸入電抗器、轉(zhuǎn)速檢測單元和啟動檢測單元；在所述雙饋電動機的定子側(cè)，定子通過啟動開關(guān)和保護裝置連接至電網(wǎng)；在所述雙饋電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)子通過狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網(wǎng)。[0027]所述狀態(tài)切換開關(guān)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(zhuǎn)子啟動電阻，另一端與雙饋電動機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子相連；所述保護開關(guān)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(zhuǎn)子相連。該系統(tǒng)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(tǒng)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的高速脈沖計數(shù)端相連；所述幅值切入單元一端與雙饋電動機轉(zhuǎn)子相連，另一端與PLC自身集成的A/D轉(zhuǎn)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(cè)的一相相連，另一端與A/D采樣模塊EM235相連，用于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，用于檢測該相電流的幅值；所述系統(tǒng)保護單元一端與雙饋電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子相連。采用PLC作為微控制器，采用西門子MM440變頻器作為勵磁電源。本實用新型可以實現(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能控制；利用上述的基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)的節(jié)能控制方法，如下(1)、按下啟動按鈕，雙饋電動機定子側(cè)交流接觸器(Q4)線圈上電，雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)交流接觸器(Ql)線圈上電，雙饋電動機定子側(cè)交流接觸器(Q2)線圈失電，雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)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(zhuǎn)子串接電阻啟動；(2)、啟動結(jié)束后，控制程序檢測雙饋電動機穩(wěn)定運行時的各個參數(shù)，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(jù)檢測到的參數(shù)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(zhuǎn)子側(cè)的(勵磁)變頻電源，當(dāng)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(zhuǎn)子側(cè)交流接觸器(Q2)線圈上電，控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)入雙饋運行模式，然后將雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)串接的啟動電阻切除；(4)、PLC檢測到饋電成功后轉(zhuǎn)入系統(tǒng)節(jié)能控制程序，設(shè)定視在功率基值(Stl)，并用 A/D轉(zhuǎn)換模塊采集雙饋電動機定子側(cè)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(jù)檢測到的相關(guān)參數(shù)值，動態(tài)設(shè)置變頻器的參數(shù)，改變變頻器的輸出， 從而將雙饋電動機控制在容性區(qū)，且使雙饋電動機的視在功率基本保持恒定；(5)、當(dāng)雙饋電動機的負(fù)載變輕時，從雙饋電動機的定子側(cè)反饋回的電壓與電流信號經(jīng)過PLC計算轉(zhuǎn)換成瞬時視在功率(S1),且瞬時視在功率(S1)減去視在功率設(shè)定值(Stl) 小于0，則執(zhí)行控制程序增大變頻器的輸出電壓(V)，使功率因數(shù)下降；直至瞬時視在功率 (S1)減去視在功率設(shè)定值(Stl)等于0，程序跳轉(zhuǎn)；(6)、當(dāng)雙饋電動機的負(fù)載變重時，從雙饋電動機定子側(cè)反饋回的電壓與電流信號經(jīng)過PLC計算轉(zhuǎn)換成瞬時視在功率(S2)，且瞬時視在功率(S2)減去視在功率設(shè)定值(Stl)大于0，則執(zhí)行控制程序減小變頻器的輸出電壓(V)，使功率因數(shù)增大；直至瞬時視在功率 (S2)減去視在功率設(shè)定值(Stl)等于0，程序跳轉(zhuǎn)；(7)、當(dāng)PLC檢測到有異?，F(xiàn)象發(fā)生時，如變送器發(fā)生故障或MM440發(fā)生故障，PLC 自動轉(zhuǎn)入監(jiān)測保護控制程序，雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)交流接觸器(Q3)線圈上電，雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)交流接觸器(Ql)線圈失電，雙饋電動機轉(zhuǎn)子側(cè)交流接觸器(Q2)線圈失電，將雙饋電動機轉(zhuǎn)入普通的異步電機運行模式帶載運行。本實用新型的主要目的在于㈠、實現(xiàn)用PLC和變頻器完成雙饋電動機的(運行)控制；㈡、實現(xiàn)以小容量變頻器驅(qū)動控制大容量雙饋電動機；㈢、實現(xiàn)雙饋電動機的系統(tǒng)節(jié)能(和無功補償)控制。_、實現(xiàn)低成本、可靠性高的雙饋電動機、雙饋發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)；本實用新型實現(xiàn)的關(guān)鍵點在于①、尋找到一種方法，以技術(shù)成熟的小容量的變頻器驅(qū)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(tǒng)的可靠性；②、針對雙饋電機勵磁控制技術(shù)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(jù)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(shù)的要求；J、在MM440變頻器與雙饋電機的轉(zhuǎn)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。本實用新型采用西門子的S7-200的PLC與MM440變頻器恰好能滿足小容量變頻器驅(qū)動控制大容量雙饋電動機的要求；PLC與變頻器之間采用USS通信協(xié)議進行信息傳遞， 在系統(tǒng)運行過程中，PLC可以根據(jù)檢測到的參數(shù)動態(tài)修改變頻器的相關(guān)參數(shù)，從而實現(xiàn)PLC 對變頻器輸出特性的動態(tài)調(diào)節(jié)，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(zhuǎn)子側(cè)勵磁控制的要求。在MM440變頻器與雙饋電機的轉(zhuǎn)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(guān)時產(chǎn)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。本實用新型的系統(tǒng)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(tǒng)節(jié)能作為控制目標(biāo)。PLC根據(jù)檢測到的參數(shù)控制電機雙饋模式的饋入與電機系統(tǒng)節(jié)能模式的運行。整個系統(tǒng)由西門子S7-200的PLC、MM440變頻器、觸摸屏、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(jiān)測保護電路、雙饋電動機、負(fù)載等組成。PLC根據(jù)檢測到的各個參數(shù)動態(tài)地控制變頻器的輸出，使雙饋電動機工作在過勵狀態(tài)，輕載時向電網(wǎng)提供容性的無功補償，重載時工作在單位功率因數(shù)附近，以提高雙饋電機和局域電網(wǎng)組成的系統(tǒng)的整體的工作效率。該方法采用技術(shù)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(shù)可行，不僅結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)坐標(biāo)系，將坐標(biāo)軸d方向與定子磁鏈餌一致，這樣Ψγ = ΨΑι,
^11=O15,定子電壓領(lǐng)先于定子磁鏈90°時間電角度，因此定子電壓A應(yīng)落在q軸上，即 =仏為常數(shù)，《dl=0。定子電流同樣可分轉(zhuǎn)矩電流分量和磁場電流分量idl。在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)中，采用電動機慣例，定子磁場定向雙饋電機的基本方程如下(1)式中1是定子繞組電感；r 2、L2分別為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組電阻與電感； L m為定轉(zhuǎn)子繞組間的互感；下標(biāo)1，2分別表示定子量和轉(zhuǎn)子量；D = d/dt為微分算子。上式即為在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)下的雙饋電機的基本方程。勵磁電壓控制特性假設(shè)雙饋電機定子接無窮大電網(wǎng)，在穩(wěn)態(tài)的情況下，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq)中的各相電壓和電流均為直流量，上式(1)中D=O。將
權(quán)利要求1.一種基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括啟動開關(guān)、狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機交互界面、降壓變壓器、 變頻器輸入電抗器、轉(zhuǎn)速檢測單元和啟動控制單元；在所述雙饋電動機的定子側(cè)，定子通過啟動開關(guān)和保護裝置連接至電網(wǎng)；在所述雙饋電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)子通過狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于 所述狀態(tài)切換開關(guān)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(zhuǎn)子啟動電阻，另一端與雙饋電動機的轉(zhuǎn)子相連；第二個交流接觸器的常開觸點的一端經(jīng)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(zhuǎn)子相連；所述保護開關(guān)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(zhuǎn)子相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于 該系統(tǒng)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(tǒng)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的高速脈沖計數(shù)端相連；所述幅值切入單元一端與雙饋電動機轉(zhuǎn)子相連， 另一端與PLC自身集成的A/D轉(zhuǎn)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(cè)的一相相連，另一端與A/D采樣模塊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(tǒng)保護單元一端與雙饋電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于采用PLC作為微控制器、采用西門子MM440變頻器作為勵磁電源。
專利摘要一種基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括啟動開關(guān)、狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、雙饋電動機、PLC、變頻器、HMI人機交互界面、降壓變壓器、變頻器輸入電抗器、轉(zhuǎn)速檢測單元和啟動控制單元；在所述雙饋電動機的定子側(cè)，定子通過啟動開關(guān)和保護裝置連接至電網(wǎng)；在所述雙饋電動機的轉(zhuǎn)子側(cè)，轉(zhuǎn)子通過狀態(tài)切換開關(guān)、保護開關(guān)、降壓變壓器、變頻器和變頻器輸入電抗器連接至電網(wǎng)。本實用新型不僅結(jié)構(gòu)簡捷、可靠性高，而且可以發(fā)揮出雙饋電機特有的控制優(yōu)勢和節(jié)能的特點。
文檔編號H02P21/14GK202153719SQ20112029682
公開日2012年2月29日 申請日期2011年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月16日
發(fā)明者盧博, 林成武 申請人:沈陽工業(yè)大學(xué)