一種新的雙饋電機起動控制技術

施佳林 林成武

（沈陽工業大學信息科學與工程學院，沈陽 110870）

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

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

1.2 轉子瞬態參數檢測

在檢測雙饋電機轉子繞組各個動態參數中，轉子電流的相位檢測是運行模式轉換的重點同時也是系統設計的難點。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 雙饋電機轉子相位饋入點檢測電路

在異步運行模式下，將一相轉子電流經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檢測到觸發信號時，內部程序自動計算變頻器與轉子側相位同步所需的延時時間，當到達延時間時，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子繞組連接進入雙饋運行模式。

1.3 變頻器瞬態輸出特性

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

P1120：變頻器輸出最大頻率所用時間。此參數是斜坡函數曲線不帶平滑圓弧時變頻器輸出從靜止狀態加速到最高頻率P1082所用的時間。其函數曲線如圖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來控制變頻器的瞬態輸出，從而控制雙饋電機的間接起動過程。

1.4 基本控制算法

將根據需要變頻器參數設置好，其起動的相電壓波形經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，經過約500ms時，變頻器輸出基本穩定，達到了饋電所要求的標準。圖5為變頻器輸出電壓與轉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，從轉子電壓過零點t0時刻開始至變頻器輸出與電機轉子電壓完全匹配的 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

將雙饋電機轉子電壓周期T2與雙饋電機轉速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為雙饋電機瞬時轉速。

由式（5）可知，Tc的大小僅與n有關。在轉速n變化的情況下只要根據式（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。也就實現了在雙饋電機的轉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換。

2 實驗

2.1 實驗系統組成

雙饋電機控制系統的起動電路包括轉子電阻、電阻切換控制電路；轉子檢測電路包括轉子電流過零點檢測電路、轉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的電壓電流信號送至PLC中，PLC監視電機的工作狀態。觸摸屏則實現了友好易用的人機接口。圖6為雙饋電機控制系統實驗系統框圖。

圖6 雙饋電機控制系統實驗系統框圖

根據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，執行USS通信初始化程序。將電機轉子接到起動電阻，PLC開始通過USS通信協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速信號處理成轉速值； 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，程序會自動檢測轉子側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子側波形一致，當到達延時時起動變頻器向轉子繞組饋電，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換。

2.2 實驗系統組成

實驗條件為：電機額定功率為 2.2kW，電機定子側電壓 380V，發電機負載電阻為 318?，電機穩定運行時轉速為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。

雙饋電機轉子繞組饋電波形如圖8所示。

圖8 電機轉速為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，系統成功將電機由異步運行模式狀態轉換為雙饋運行模式。

當雙饋電機空載運行時，電機定子側電壓調至210V，電機轉速穩定在 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，沖擊很小；饋電前后轉子電壓頻率相同，均為8Hz。說明電機工作在不同的狀態下時，雙饋電機控制系統同樣能夠平穩地將電機由異步運行模式轉換為雙饋運行狀態。

3 結論

1）本文提出的雙饋電機的起動控制策略能夠實現負載和轉速在一定范圍內變化的雙饋電機的穩定起動，實現由異步運行模式向雙饋運行模式的轉換。

2）根據變頻器的瞬態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有效縮短了雙饋電機控制系統的開發周期，提高了系統的穩定性，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. 泵站電機雙饋調速系統設計與試驗[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.