變頻器和PLC的雙饋電動(dòng)機節能技術(shù)優(yōu)勢及應用探討

1.1 雙饋電動(dòng)機的優(yōu)勢

雙饋電動(dòng)機不僅是屬于異步機的范疇，它還可以被稱(chēng)之為交流勵磁電機(Alternating Current Exc itatio n Mo to r ACEM)或異步化同步電機(Async hro nized Sync hro no us Mo to r)，因為它包含有獨立的勵磁繞組，在使用的過(guò)程中，能夠像同步電機一樣通過(guò)增加勵磁來(lái)進(jìn)行功率因素的調節。同步電機其實(shí)是直流勵磁，所以它只能夠進(jìn)行一個(gè)電流幅值調節，因此它一般只能夠進(jìn)行無(wú)功功率的調節。而雙饋電動(dòng)機能夠進(jìn)行調節的量有三個(gè)，它們分別是：可調節的勵磁電流幅值、可改變的勵磁頻率以及可改變相位。這就表明了雙饋電動(dòng)機為了達到調速的目的，可以采用改變勵磁頻率的方式來(lái)改變機電的速率。同樣的，在進(jìn)行負荷突變的時(shí)候，也可以通過(guò)控制勵磁的頻率來(lái)改變機電的轉速，把轉子所產(chǎn)生的動(dòng)能充分的利用起來(lái)，并吸收或者釋放負荷。雙饋電動(dòng)機和同步電動(dòng)機相比較，它們都能夠利用轉子勵磁的電流幅值的改變來(lái)對功率因素進(jìn)行調節。因此交流勵磁在使用的過(guò)程中，不僅能夠進(jìn)行無(wú)功功率的調節，還可以進(jìn)行有功功率的條件，而雙饋電動(dòng)機擁有眾多的優(yōu)勢主要是因為它采用的是能夠進(jìn)行調節的交流勵磁電源。

1.2 恒視在功率節能技術(shù)

電機功率主要可以可以分為三種：無(wú)功功率、有功功率以及視在功率。恒視在功率在使用過(guò)程中的重點(diǎn)是當有功功率發(fā)生變化的時(shí)候，可以通過(guò)對電機的功率因數進(jìn)行調節，最后把電機的視在功率控制在一個(gè)固定的值。這種做法的優(yōu)點(diǎn)在于電機進(jìn)行輕載的時(shí)候可以把剩余的電機容量作為無(wú)功功率向電網(wǎng)反饋，而當電動(dòng)機重載的時(shí)候，可以把電機的功率因數的數值調節到與單位功率差不多，并且對電網(wǎng)的無(wú)功功率不進(jìn)行吸收。同樣的，在風(fēng)機、水泵中也可以使用恒視在功率，其主要的原因有：

(1)我國電廠(chǎng)和鋼鐵廠(chǎng)在工作的過(guò)程中，用電量最高的設備主要是空調、風(fēng)機和水泵，因此對風(fēng)機與泵實(shí)行節能措施是非常有必要的，而且節能的效果將會(huì )非常的明顯。國家對于所有企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的技術(shù)裝備都是有規定的，分別是可靠性與效率。但是對于成產(chǎn)過(guò)程中資源的浪費現象并沒(méi)有太大的重視，所以水泵與風(fēng)機實(shí)施節能措施是非常有必要的。

(2)恒視在功率在我國的使用效率是比較低的，主要的原因是生產(chǎn)過(guò)程中普遍都存在“小馬拉大車(chē)”的現象。相關(guān)的設計院在進(jìn)行設計的時(shí)候，為了盡可能的少承擔責任，都采用的是比較保守、落后的設計方案，而且使用的參數都是超出實(shí)際大小的，這樣就使得余量偏大了，壓力與流量系數也偏大了。然而制造商為了降低自身的風(fēng)險，在把壓力與流量系數進(jìn)行增加，這樣一層接一層增加的現象最終導致了“小馬拉大車(chē)”現象的出現，也使得產(chǎn)品偏離了最初的設計，降低了效率。但是恒視功率的使用正好彌補了這一缺陷，而且還為工廠(chǎng)提供了無(wú)功功率。

2、PLC和變頻器的應用技術(shù)

在雙饋電動(dòng)機的節能控制系統中，在選擇控制器和轉子勵磁電源的時(shí)候需要非常的小心與謹慎，因為它們的好壞直接關(guān)系到系統的可靠性、穩定性以及節能性。由于PLC與通用變頻器具有其特有的優(yōu)勢，因此它們都非常適合在雙饋電動(dòng)機的控制系統中進(jìn)行使用。

2.1 PLC 選型

在進(jìn)行PLC型號的選擇時(shí)，首先要對PLC的輸入/輸出端口和通信端口的需求進(jìn)行分析與確定。然后在根據雙饋電動(dòng)機節能控制系統自身的需求，把系統中所有的輸入/輸出信號進(jìn)行總結與分類(lèi)，在根據PLC的輸入/輸出點(diǎn)的要求來(lái)進(jìn)行I/O地址的分配，保證每個(gè)輸入/輸出信號都能夠準確的與PLC的輸入/輸出繼電器相對應，最終根據其結果來(lái)進(jìn)行PLC型號的確認。

西門(mén)子公司的PLC 產(chǎn)品的品種是非常豐富多樣的，像S7 200 就是屬于小型的PLC，并且是第三代的產(chǎn)品了。關(guān)于S7 200所具有的特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

(1)強大的功能。S7 200 的CPU 模塊有5 種，而且還能夠擴展到7 種，還可以擴展到248 點(diǎn)數字量的I/O，并且有30多KB 的數據存儲空間。集合了6 個(gè)高速計數器以及脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調制器，這些都大大的提高工作的效率。能夠達到PID參數的自定。

(2)先進(jìn)的程序結構。S7 200 所包含的程序結構是非常的簡(jiǎn)單的，在進(jìn)行編程的軟件中，其包含的主程序、子程序以及中斷程序是分開(kāi)進(jìn)行保存的。子程序還可以把輸入輸出的變量作為軟件的接口，這樣有利于達到結構化編程的目的。

(3)靈活方便的尋址。S7 200 所包含的各部分結構都是可以按照位、字節、字以及雙字來(lái)進(jìn)行讀與寫(xiě)的，例如：位存儲器、變量存儲器、輸入輸出結構等。

(4) 編程軟件的功能強大以及使用方便。編程軟件STEP7 Mic ro/WIN V4.0包含了梯形圖、語(yǔ)句表以及功能塊圖編程語(yǔ)言三大部分。而S7 200在進(jìn)行操作的時(shí)候，其指令的功能性很強，但也便于掌握。

(5)強大的通信功能。S7 200 用于編程或者進(jìn)行通信的CPU 模塊是RS 485接口，并且有一個(gè)或者是兩個(gè)。

2.2 變頻器的選型

變頻器類(lèi)型推薦西門(mén)子Mic roMaster440/420，作為基于三相交流調速電動(dòng)機系列的經(jīng)典，Mic roMaster440/420 主要由微處理器實(shí)現控制，空濾輸出主要依靠雙極型絕緣柵晶體管，綜合運行能力強勁，可以為設備帶來(lái)杰出的可靠性。與此同時(shí)，這款變頻器內部模塊結構靈活，電動(dòng)機保護功能非常到位，配合RS485/232C 內置接口以及作用于過(guò)程控制的PI 閉環(huán)控制器，滿(mǎn)足用戶(hù)自定義I/O 端子需求，并且利用磁通電流來(lái)動(dòng)態(tài)控制變頻特性，在低頻期間也可以完成力矩輸出，無(wú)跳閘運行高速電流限制。

Mic roMaster440 所搭配的雙饋電動(dòng)機節能控制，能夠滿(mǎn)足系統的各類(lèi)變頻需求，例如對電壓增幅與頻率分別控制，完成功率與轉速因數的雙向調節，在各類(lèi)系統控制中均有不俗表現。輸出功率為0.74-90kW的西門(mén)子Mic roMaster440，在功率越高的場(chǎng)地越能發(fā)揮出自身優(yōu)勢，配合ECO節能控制的無(wú)傳感器自動(dòng)矢量控制，有效增強了機械制動(dòng)的超前吸附、延遲釋放等控制功能，確保升降機持續穩定運行。最后，Mic roMas.ter440對于傳送帶故障檢測也進(jìn)行了優(yōu)化，可以保證生產(chǎn)線(xiàn)安全運作，利用具有自定義參數功能的PID控制器實(shí)現主從控制，適用于多機同軸的驅動(dòng)模式。
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3、基于PLC和變頻器的雙饋電動(dòng)機節能控制系統設計

通過(guò)雙饋發(fā)動(dòng)機系統結構圖(見(jiàn)圖1)我們可以發(fā)現，控制器系統主要由PLC為核心，對變頻器和切換電路進(jìn)行控制，在變頻調節前進(jìn)行電路檢測。觸控屏幕可以為控制系統帶來(lái)直觀(guān)的人機交互指令界面，隨時(shí)對系統參數與電機狀態(tài)展開(kāi)調整，控制人員利用觸控屏幕來(lái)觀(guān)察系統運行。電路檢測所對應的電流頻率、相位以及電壓增幅，可以有效控制額定電壓和功率，對電機轉數也能夠很好的掌握，電路檢測功能將電壓數據通過(guò)信號傳遞給PLC，然后系統對數據進(jìn)行分析并合理控制。起動(dòng)器作用于電機，當電機軟啟動(dòng)后控制電路切換模式，只有系統處于雙饋模式才會(huì )視作雙饋電動(dòng)機成功啟動(dòng)。系統的節能算法與控制模式被幾種編入PLC，利用參數的調節來(lái)控制電機整體狀態(tài)，最終實(shí)現節能控制目的。

圖1 雙饋發(fā)動(dòng)機節能系統結構圖

3.1 主電路與控制電路設計

主電路構成參照雙饋電動(dòng)機和直流發(fā)電機的回路，設計中需要注意的是，當直流發(fā)電機被雙饋電動(dòng)機所負載時(shí)，后者的定子繞組需要連接到50Hz電網(wǎng)，并且經(jīng)轉子繞組來(lái)對變頻器供電，電流由轉子繞組來(lái)輸入相位和頻率，進(jìn)而達成對雙饋電機功率與轉速的掌握。節能控制系統設計需要指定PLC為控制器，用來(lái)接收和檢驗電路信號，分析電機當前電壓參數，最后PLC會(huì )依據參數來(lái)執行內部算法，對接觸器線(xiàn)圈和變頻器功率輸出進(jìn)行控制，全面展示出雙饋電動(dòng)機運行情況。

3.2 雙饋電動(dòng)機瞬態(tài)參數檢測電路設計

轉速檢測是由脈沖隔離和旋轉編碼器組成的，編碼器負責收集轉速參數，并將它轉換成為脈沖信號交由脈沖隔離電路來(lái)分析處理，成為可供PLC識別的脈沖信號，PLC將反饋信息加工優(yōu)化后，再次轉換成脈沖信號為電機設置合理轉速。在設計當中要充分考慮到功率因數在系統控制中的重要性，配需讓功率因數能夠得到實(shí)時(shí)監測，原因在于c o s 函數為偶函數，不管是正負的功率因數都會(huì )取正值，所以操作人員很難從功率因數中判斷負載情況，在設計當中可以將電流電壓作為根據，對線(xiàn)路超前與落后的功率因數進(jìn)行判斷。與此同時(shí)，功率因數作為非線(xiàn)性函數，無(wú)法利用線(xiàn)路模擬來(lái)搭接，對此可以針對功率因數來(lái)設計微處理器。

3.3 變頻器容量釋放電路設計

變頻器容量釋放的意義在于維持變頻器安全運行，設計的原則要基于不對容量進(jìn)行更改，運用當前通用變頻器條件來(lái)增強電流輸出，進(jìn)而讓電流符合雙饋電機的系統控制要求。變頻器容量釋放在設計中可以運用降壓方法，讓轉子接在電機的電壓器副邊、變壓器原邊，讓雙饋電機持續穩定在1350rpm 范圍內重載，如果電機功率因數為1，那么變壓器副邊則必須接通13V以上的電壓和9A以上電流，得出變頻器的輸出功率為39V電壓與和3A電流。完成轉子連接后，將變頻器的電壓電流提升到3 倍，這樣便實(shí)現了變頻器釋放3 倍的容量，在這一設計階段需要注意的是，根據雙饋電動(dòng)機的轉子感應和電壓電流特征，變頻器電壓輸出為低頻狀態(tài)，故系統當中所應用的降壓變壓器需要換為專(zhuān)用低頻變壓器。

4、結束語(yǔ)

電機節能技術(shù)經(jīng)過(guò)長(cháng)期發(fā)展，在今天已經(jīng)取得了不少成就，它作用的領(lǐng)域十分廣泛，例如石油化工、冶金、輕工業(yè)等，對于電機節能技術(shù)的需求可謂與日俱增。通過(guò)對系統設計的全面優(yōu)化，推廣變頻調速控制設備，適應各類(lèi)需要進(jìn)行速度調節與流量調節的生產(chǎn)，有效運用電機系統，能夠為容量配備以及電機系統整體運行提供有力保障，深入研究和拓展電機容量，為生產(chǎn)制造加強動(dòng)力。電機控制系統的持續穩定運行，需要依賴(lài)完善的過(guò)程控制和能源配置，我國應當進(jìn)一步推廣電機節能技術(shù)，幫助企業(yè)獲得更高的利潤空間和生產(chǎn)安全保障。