一種新的雙饋電機起動控制技術

施佳林 林成武

（沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

雙饋電機具有良好的調(diào)速性能和高效率，可調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功和無功功率，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景[1]。雙饋電機控制系統(tǒng)的研究重點大多數(shù)都側(cè)重在逆變器的研制，而且普遍采用的是DSP或者FPGA等控制器配合驅(qū)動電路來控制IGBT等大功率器件的控制系統(tǒng)[2]。此類傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的缺點是開發(fā)周期長，逆變器設計復雜，抗干擾能力弱，成本高，實用性差等不足[3]。為了克服傳統(tǒng)雙饋電機控制系統(tǒng)的缺點，本文設計并實現(xiàn)了一種PLC配合通用變頻器的雙饋電機控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有抗干擾能力強、編程簡單、模塊化、技術成熟等優(yōu)點，可以有效縮短了開發(fā)周期、降低成本，是雙饋電機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

1 雙饋電機起動控制過程分析

1.1 雙饋電機起動控制策略

雙饋電機由于其定子連接工頻電網(wǎng)其轉(zhuǎn)子連接變頻器，電機起動瞬間電機定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組沒有相對運動相當于短路狀態(tài)，瞬間起動電流大，不能采用直接起動方式，所以現(xiàn)在大多采用間接起動的方法[4]。雙饋電機間接起動后，根據(jù)實時檢測的轉(zhuǎn)子繞組運行參數(shù)，控制轉(zhuǎn)子勵磁電源的瞬態(tài)輸出參數(shù)與電機轉(zhuǎn)子繞組的運行參數(shù)基本一致并接入電機轉(zhuǎn)子繞組，實現(xiàn)了由異步運行模式向雙饋運行模式的平滑轉(zhuǎn)換，從而完成雙饋電機的起動。

1.2 轉(zhuǎn)子瞬態(tài)參數(shù)檢測

在檢測雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組各個動態(tài)參數(shù)中，轉(zhuǎn)子電流的相位檢測是運行模式轉(zhuǎn)換的重點同時也是系統(tǒng)設計的難點。雙饋電機相位饋入點檢測控制實驗電路圖如圖1所示。

圖1 雙饋電機轉(zhuǎn)子相位饋入點檢測電路

在異步運行模式下，將一相轉(zhuǎn)子電流經(jīng)濾波后送至過零點檢測電路，檢測出波形的正向過零點送至PLC。當PLC檢測到觸發(fā)信號時，內(nèi)部程序自動計算變頻器與轉(zhuǎn)子側(cè)相位同步所需的延時時間，當?shù)竭_延時間時，PLC起動變頻器，變頻器開始輸出三相電流，PLC控制變頻器與雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組連接進入雙饋運行模式。

1.3 變頻器瞬態(tài)輸出特性

西門子MM440變頻器有強大的參數(shù)設置功能，在變頻器起動的一瞬間到變頻器輸出穩(wěn)定的三相交流電的這段時間是可以進行調(diào)節(jié)的[5]。

P1120：變頻器輸出最大頻率所用時間。此參數(shù)是斜坡函數(shù)曲線不帶平滑圓弧時變頻器輸出從靜止狀態(tài)加速到最高頻率P1082所用的時間。其函數(shù)曲線如圖2所示。其中，如果設定的斜坡上升時間太短就有可能導致變頻器跳閘過電流。

圖2 變頻器輸出最大頻率加速時間曲線

P1820：影響變頻器輸出最大頻率所用時間函數(shù)的斜率，同時影響變頻器輸出最大頻率所用時間。P1130、P1131，定義斜坡函數(shù)上升曲線起始段和結束段平滑圓弧的時間，單位為秒，如圖3所示。

圖3 斜坡函數(shù)上升曲線起始段和結束段平滑圓弧曲線

圖3為變頻器起動時的輸出特性曲線，可以根據(jù)圖得出變頻器初始輸出的總上升時間Tup：

式中，fgive為給定的變頻器初始頻率值。

由式（1）可知：控制系統(tǒng)可以在給定頻率下的情況下，計算出變頻器輸出給定頻率所用的時間。說明可以通過設置變頻器的相關參數(shù)來控制變頻器的瞬態(tài)輸出，從而控制雙饋電機的間接起動過程。

1.4 基本控制算法

將根據(jù)需要變頻器參數(shù)設置好，其起動的相電壓波形經(jīng)過分壓濾波電路處理后，如圖4所示。

圖4 變頻器相電壓起動波形

從圖4中可以看出：在變頻器起動瞬間，變頻器開始工作并輸出電壓，經(jīng)過約500ms時，變頻器輸出基本穩(wěn)定，達到了饋電所要求的標準。圖5為變頻器輸出電壓與轉(zhuǎn)子電壓相位匹配過程示意圖。

圖5 變頻器輸出波形相位匹配過程

在圖 5中，t0時刻為轉(zhuǎn)子電壓波形的正向過零點；t1時刻為過零點檢測電路輸出的過零點脈沖；t2時刻為PLC程序及USS通信結束；t3時刻為變頻器啟動；t4為變頻器輸出穩(wěn)定波形時刻。所以，相位匹配過程總時間設為TSUM，其表達式如下：

圖中5可以看出，從轉(zhuǎn)子電壓過零點t0時刻開始至變頻器輸出與電機轉(zhuǎn)子電壓完全匹配的 t4時刻結束，此為一個完整的相位匹配過程，共包括 3.25個轉(zhuǎn)子電壓周期T2。則又有

將式（2）帶入式（3），消去TSUM可得

將雙饋電機轉(zhuǎn)子電壓周期T2與雙饋電機轉(zhuǎn)速n關系公式[6]

式中，Ta為過零點檢測電路延時；Tb為PLC程序及USS通信延時；Td為變頻器初始輸出的總上升時間Tup；n為雙饋電機瞬時轉(zhuǎn)速。

由式（5）可知，Tc的大小僅與n有關。在轉(zhuǎn)速n變化的情況下只要根據(jù)式（5）求出軟件延時的時間Tc的值就可以進行相位匹配，可以進行饋電。也就實現(xiàn)了在雙饋電機的轉(zhuǎn)速在一定范圍變化下從異步電機模式向雙饋電機模式的轉(zhuǎn)換。

2 實驗

2.1 實驗系統(tǒng)組成

雙饋電機控制系統(tǒng)的起動電路包括轉(zhuǎn)子電阻、電阻切換控制電路；轉(zhuǎn)子檢測電路包括轉(zhuǎn)子電流過零點檢測電路、轉(zhuǎn)子電壓幅值檢測電路；電流變送器和電壓變送器將實時檢測的定子側(cè)的電壓電流信號送至PLC中，PLC監(jiān)視電機的工作狀態(tài)。觸摸屏則實現(xiàn)了友好易用的人機接口。圖6為雙饋電機控制系統(tǒng)實驗系統(tǒng)框圖。

圖6 雙饋電機控制系統(tǒng)實驗系統(tǒng)框圖

根據(jù)饋電相位匹配的設計方案，程序流程圖設計如圖7所示。

圖7 PLC程序流程圖

PLC起動時，執(zhí)行USS通信初始化程序。將電機轉(zhuǎn)子接到起動電阻，PLC開始通過USS通信協(xié)議讀取變頻器的電壓、頻率和電流值，同時將光電編碼器送來的電機轉(zhuǎn)速信號處理成轉(zhuǎn)速值； PLC程序判斷用戶是否起動電機，如果起動電機，則接通電機定子側(cè)的接觸器，使電機串電阻起動；如果用戶按下饋電按鈕，程序會自動檢測轉(zhuǎn)子側(cè)波形的正向過零點信號；當檢測到過零點信號時起動延時程序來保證變頻器輸出相位與轉(zhuǎn)子側(cè)波形一致，當?shù)竭_延時時起動變頻器向轉(zhuǎn)子繞組饋電，延時后切除起動電阻，完成異步運行模式向雙饋運行模式的轉(zhuǎn)換。

2.2 實驗系統(tǒng)組成

實驗條件為：電機額定功率為 2.2kW，電機定子側(cè)電壓 380V，發(fā)電機負載電阻為 318?，電機穩(wěn)定運行時轉(zhuǎn)速為1350r/min。變頻器輸出電壓13V，頻率5Hz，電流為9.7A。變頻器起動延時100ms，饋電延時150ms。

雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組饋電波形如圖8所示。

圖8 電機轉(zhuǎn)速為1350r/min時饋電波形

由圖8可以看出，饋入點處過渡平滑，僅有很小的沖擊；饋電后轉(zhuǎn)子電壓頻率與饋電前是一致的，都為 5Hz。說明在此條件下，系統(tǒng)成功將電機由異步運行模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換為雙饋運行模式。

當雙饋電機空載運行時，電機定子側(cè)電壓調(diào)至210V，電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在 1260r/min時進行雙饋運行實驗。圖9為實驗時的饋電波形。

圖9 電機轉(zhuǎn)速為1260r/min時饋電波形

從饋電的波形圖中可以看出，在改變電機轉(zhuǎn)速和負載的情況下雙饋電機的饋入點處過渡依然平滑，沖擊很??；饋電前后轉(zhuǎn)子電壓頻率相同，均為8Hz。說明電機工作在不同的狀態(tài)下時，雙饋電機控制系統(tǒng)同樣能夠平穩(wěn)地將電機由異步運行模式轉(zhuǎn)換為雙饋運行狀態(tài)。

3 結論

1）本文提出的雙饋電機的起動控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)負載和轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化的雙饋電機的穩(wěn)定起動，實現(xiàn)由異步運行模式向雙饋運行模式的轉(zhuǎn)換。

2）根據(jù)變頻器的瞬態(tài)特性提出的雙饋電機的起動控制算法和控制策略是可行的，為雙饋電機控制系統(tǒng)的研制打下良好基礎。

3）理論分析和實驗結果表明：PLC與通用變頻器組成的雙饋電機控制系統(tǒng)有效縮短了雙饋電機控制系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有一定的應用前景。

[1]黃守道,胡必武,歐陽紅林,周臘吾.雙饋電機的工業(yè)應用展望[J].湖南大學學報,1998,26(4): 67-70.

[2]吳勝,周理兵,黃聲華,李朗如.雙饋電機的交/直/交控[J].中國電機工程學報,2005,25(19): 148-151.

[3]李友泉,詹永麒.基于 PLC和變頻器的多電機速度同步控制[J].制造業(yè)自動化,2003,22(3): 55-57.

[4]張杰,廖冬初,潘健,陳俊. 泵站電機雙饋調(diào)速系統(tǒng)設計與試驗[J]. 電力電子技術,2007.02(2): 29-31.

[5]西門子公司. MICROMASTER 440通用型變頻器使用大全[EB/OL].[2003-12]. http://www.siemen s.de/micromaster.

[6]Matteo Felice Iacchetti .M. S. Carmeli .Francesco Castelli Dezza . R. Perini. A speed sensorless control based on a MRAS applied to a double fed induction machine drive.[J]Electr Eng (2010) 91:337-345.