變頻器和PLC的雙饋電動(dòng)機(jī)節(jié)能技術(shù)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用探討

1.1 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，它還可以被稱之為交流勵(lì)磁電機(jī)(Alternating Current Exc itatio n Mo to r ACEM)或異步化同步電機(jī)(Async hro nized Sync hro no us Mo to r)，因?yàn)樗歇?dú)立的勵(lì)磁繞組，在使用的過程中，能夠像同步電機(jī)一樣通過增加勵(lì)磁來進(jìn)行功率因素的調(diào)節(jié)。同步電機(jī)其實(shí)是直流勵(lì)磁，所以它只能夠進(jìn)行一個(gè)電流幅值調(diào)節(jié)，因此它一般只能夠進(jìn)行無功功率的調(diào)節(jié)。而雙饋電動(dòng)機(jī)能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的量有三個(gè)，它們分別是：可調(diào)節(jié)的勵(lì)磁電流幅值、可改變的勵(lì)磁頻率以及可改變相位。這就表明了雙饋電動(dòng)機(jī)為了達(dá)到調(diào)速的目的，可以采用改變勵(lì)磁頻率的方式來改變機(jī)電的速率。同樣的，在進(jìn)行負(fù)荷突變的時(shí)候，也可以通過控制勵(lì)磁的頻率來改變機(jī)電的轉(zhuǎn)速，把轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的動(dòng)能充分的利用起來，并吸收或者釋放負(fù)荷。雙饋電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)相比較，它們都能夠利用轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的電流幅值的改變來對(duì)功率因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此交流勵(lì)磁在使用的過程中，不僅能夠進(jìn)行無功功率的調(diào)節(jié)，還可以進(jìn)行有功功率的條件，而雙饋電動(dòng)機(jī)擁有眾多的優(yōu)勢(shì)主要是因?yàn)樗捎玫氖悄軌蜻M(jìn)行調(diào)節(jié)的交流勵(lì)磁電源。

1.2 恒視在功率節(jié)能技術(shù)

電機(jī)功率主要可以可以分為三種：無功功率、有功功率以及視在功率。恒視在功率在使用過程中的重點(diǎn)是當(dāng)有功功率發(fā)生變化的時(shí)候，可以通過對(duì)電機(jī)的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后把電機(jī)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(jī)進(jìn)行輕載的時(shí)候可以把剩余的電機(jī)容量作為無功功率向電網(wǎng)反饋，而當(dāng)電動(dòng)機(jī)重載的時(shí)候，可以把電機(jī)的功率因數(shù)的數(shù)值調(diào)節(jié)到與單位功率差不多，并且對(duì)電網(wǎng)的無功功率不進(jìn)行吸收。同樣的，在風(fēng)機(jī)、水泵中也可以使用恒視在功率，其主要的原因有：

(1)我國(guó)電廠和鋼鐵廠在工作的過程中，用電量最高的設(shè)備主要是空調(diào)、風(fēng)機(jī)和水泵，因此對(duì)風(fēng)機(jī)與泵實(shí)行節(jié)能措施是非常有必要的，而且節(jié)能的效果將會(huì)非常的明顯。國(guó)家對(duì)于所有企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的技術(shù)裝備都是有規(guī)定的，分別是可靠性與效率。但是對(duì)于成產(chǎn)過程中資源的浪費(fèi)現(xiàn)象并沒有太大的重視，所以水泵與風(fēng)機(jī)實(shí)施節(jié)能措施是非常有必要的。

(2)恒視在功率在我國(guó)的使用效率是比較低的，主要的原因是生產(chǎn)過程中普遍都存在“小馬拉大車”的現(xiàn)象。相關(guān)的設(shè)計(jì)院在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，為了盡可能的少承擔(dān)責(zé)任，都采用的是比較保守、落后的設(shè)計(jì)方案，而且使用的參數(shù)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(shù)也偏大了。然而制造商為了降低自身的風(fēng)險(xiǎn)，在把壓力與流量系數(shù)進(jìn)行增加，這樣一層接一層增加的現(xiàn)象最終導(dǎo)致了“小馬拉大車”現(xiàn)象的出現(xiàn)，也使得產(chǎn)品偏離了最初的設(shè)計(jì)，降低了效率。但是恒視功率的使用正好彌補(bǔ)了這一缺陷，而且還為工廠提供了無功功率。

2、PLC和變頻器的應(yīng)用技術(shù)

在雙饋電動(dòng)機(jī)的節(jié)能控制系統(tǒng)中，在選擇控制器和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電源的時(shí)候需要非常的小心與謹(jǐn)慎，因?yàn)樗鼈兊暮脡闹苯雨P(guān)系到系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及節(jié)能性。由于PLC與通用變頻器具有其特有的優(yōu)勢(shì)，因此它們都非常適合在雙饋電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行使用。

2.1 PLC 選型

在進(jìn)行PLC型號(hào)的選擇時(shí)，首先要對(duì)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(jù)雙饋電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)自身的需求，把系統(tǒng)中所有的輸入/輸出信號(hào)進(jìn)行總結(jié)與分類，在根據(jù)PLC的輸入/輸出點(diǎn)的要求來進(jìn)行I/O地址的分配，保證每個(gè)輸入/輸出信號(hào)都能夠準(zhǔn)確的與PLC的輸入/輸出繼電器相對(duì)應(yīng)，最終根據(jù)其結(jié)果來進(jìn)行PLC型號(hào)的確認(rèn)。

西門子公司的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(qiáng)大的功能。S7 200 的CPU 模塊有5 種，而且還能夠擴(kuò)展到7 種，還可以擴(kuò)展到248 點(diǎn)數(shù)字量的I/O，并且有30多KB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。集合了6 個(gè)高速計(jì)數(shù)器以及脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調(diào)制器，這些都大大的提高工作的效率。能夠達(dá)到PID參數(shù)的自定。

(2)先進(jìn)的程序結(jié)構(gòu)。S7 200 所包含的程序結(jié)構(gòu)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(dá)到結(jié)構(gòu)化編程的目的。

(3)靈活方便的尋址。S7 200 所包含的各部分結(jié)構(gòu)都是可以按照位、字節(jié)、字以及雙字來進(jìn)行讀與寫的，例如：位存儲(chǔ)器、變量存儲(chǔ)器、輸入輸出結(jié)構(gòu)等。

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

(5)強(qiáng)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

變頻器類型推薦西門子Mic roMaster440/420，作為基于三相交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)系列的經(jīng)典，Mic roMaster440/420 主要由微處理器實(shí)現(xiàn)控制，空濾輸出主要依靠雙極型絕緣柵晶體管，綜合運(yùn)行能力強(qiáng)勁，可以為設(shè)備帶來杰出的可靠性。與此同時(shí)，這款變頻器內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)靈活，電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能非常到位，配合RS485/232C 內(nèi)置接口以及作用于過程控制的PI 閉環(huán)控制器，滿足用戶自定義I/O 端子需求，并且利用磁通電流來動(dòng)態(tài)控制變頻特性，在低頻期間也可以完成力矩輸出，無跳閘運(yùn)行高速電流限制。

Mic roMaster440 所搭配的雙饋電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制，能夠滿足系統(tǒng)的各類變頻需求，例如對(duì)電壓增幅與頻率分別控制，完成功率與轉(zhuǎn)速因數(shù)的雙向調(diào)節(jié)，在各類系統(tǒng)控制中均有不俗表現(xiàn)。輸出功率為0.74-90kW的西門子Mic roMaster440，在功率越高的場(chǎng)地越能發(fā)揮出自身優(yōu)勢(shì)，配合ECO節(jié)能控制的無傳感器自動(dòng)矢量控制，有效增強(qiáng)了機(jī)械制動(dòng)的超前吸附、延遲釋放等控制功能，確保升降機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。最后，Mic roMas.ter440對(duì)于傳送帶故障檢測(cè)也進(jìn)行了優(yōu)化，可以保證生產(chǎn)線安全運(yùn)作，利用具有自定義參數(shù)功能的PID控制器實(shí)現(xiàn)主從控制，適用于多機(jī)同軸的驅(qū)動(dòng)模式。
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3、基于PLC和變頻器的雙饋電動(dòng)機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過雙饋發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(見圖1)我們可以發(fā)現(xiàn)，控制器系統(tǒng)主要由PLC為核心，對(duì)變頻器和切換電路進(jìn)行控制，在變頻調(diào)節(jié)前進(jìn)行電路檢測(cè)。觸控屏幕可以為控制系統(tǒng)帶來直觀的人機(jī)交互指令界面，隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)與電機(jī)狀態(tài)展開調(diào)整，控制人員利用觸控屏幕來觀察系統(tǒng)運(yùn)行。電路檢測(cè)所對(duì)應(yīng)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(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)也能夠很好的掌握，電路檢測(cè)功能將電壓數(shù)據(jù)通過信號(hào)傳遞給PLC，然后系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并合理控制。起動(dòng)器作用于電機(jī)，當(dāng)電機(jī)軟啟動(dòng)后控制電路切換模式，只有系統(tǒng)處于雙饋模式才會(huì)視作雙饋電動(dòng)機(jī)成功啟動(dòng)。系統(tǒng)的節(jié)能算法與控制模式被幾種編入PLC，利用參數(shù)的調(diào)節(jié)來控制電機(jī)整體狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制目的。

圖1 雙饋發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 主電路與控制電路設(shè)計(jì)

主電路構(gòu)成參照雙饋電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)的回路，設(shè)計(jì)中需要注意的是，當(dāng)直流發(fā)電機(jī)被雙饋電動(dòng)機(jī)所負(fù)載時(shí)，后者的定子繞組需要連接到50Hz電網(wǎng)，并且經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組來對(duì)變頻器供電，電流由轉(zhuǎn)子繞組來輸入相位和頻率，進(jìn)而達(dá)成對(duì)雙饋電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速的掌握。節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要指定PLC為控制器，用來接收和檢驗(yàn)電路信號(hào)，分析電機(jī)當(dāng)前電壓參數(shù)，最后PLC會(huì)依據(jù)參數(shù)來執(zhí)行內(nèi)部算法，對(duì)接觸器線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(jī)運(yùn)行情況。

3.2 雙饋電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)參數(shù)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速檢測(cè)是由脈沖隔離和旋轉(zhuǎn)編碼器組成的，編碼器負(fù)責(zé)收集轉(zhuǎn)速參數(shù)，并將它轉(zhuǎn)換成為脈沖信號(hào)交由脈沖隔離電路來分析處理，成為可供PLC識(shí)別的脈沖信號(hào)，PLC將反饋信息加工優(yōu)化后，再次轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)為電機(jī)設(shè)置合理轉(zhuǎn)速。在設(shè)計(jì)當(dāng)中要充分考慮到功率因數(shù)在系統(tǒng)控制中的重要性，配需讓功率因數(shù)能夠得到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，原因在于c o s 函數(shù)為偶函數(shù)，不管是正負(fù)的功率因數(shù)都會(huì)取正值，所以操作人員很難從功率因數(shù)中判斷負(fù)載情況，在設(shè)計(jì)當(dāng)中可以將電流電壓作為根據(jù)，對(duì)線路超前與落后的功率因數(shù)進(jìn)行判斷。與此同時(shí)，功率因數(shù)作為非線性函數(shù)，無法利用線路模擬來搭接，對(duì)此可以針對(duì)功率因數(shù)來設(shè)計(jì)微處理器。

3.3 變頻器容量釋放電路設(shè)計(jì)

變頻器容量釋放的意義在于維持變頻器安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)的原則要基于不對(duì)容量進(jìn)行更改，運(yùn)用當(dāng)前通用變頻器條件來增強(qiáng)電流輸出，進(jìn)而讓電流符合雙饋電機(jī)的系統(tǒng)控制要求。變頻器容量釋放在設(shè)計(jì)中可以運(yùn)用降壓方法，讓轉(zhuǎn)子接在電機(jī)的電壓器副邊、變壓器原邊，讓雙饋電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定在1350rpm 范圍內(nèi)重載，如果電機(jī)功率因數(shù)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(zhuǎn)子連接后，將變頻器的電壓電流提升到3 倍，這樣便實(shí)現(xiàn)了變頻器釋放3 倍的容量，在這一設(shè)計(jì)階段需要注意的是，根據(jù)雙饋電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子感應(yīng)和電壓電流特征，變頻器電壓輸出為低頻狀態(tài)，故系統(tǒng)當(dāng)中所應(yīng)用的降壓變壓器需要換為專用低頻變壓器。

4、結(jié)束語

電機(jī)節(jié)能技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)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(duì)于電機(jī)節(jié)能技術(shù)的需求可謂與日俱增。通過對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全面優(yōu)化，推廣變頻調(diào)速控制設(shè)備，適應(yīng)各類需要進(jìn)行速度調(diào)節(jié)與流量調(diào)節(jié)的生產(chǎn)，有效運(yùn)用電機(jī)系統(tǒng)，能夠?yàn)槿萘颗鋫湟约半姍C(jī)系統(tǒng)整體運(yùn)行提供有力保障，深入研究和拓展電機(jī)容量，為生產(chǎn)制造加強(qiáng)動(dòng)力。電機(jī)控制系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，需要依賴完善的過程控制和能源配置，我國(guó)應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步推廣電機(jī)節(jié)能技術(shù)，幫助企業(yè)獲得更高的利潤(rùn)空間和生產(chǎn)安全保障。