雙繞組電機變頻調速控制系統

李巖，李彬，劉照

(1 沈陽理工大學，遼寧沈陽110168;2 沈陽優勢特起重機有限公司，遼寧沈陽110014)

0 引言

多相電動機相對于普通三相電動機具有無法比擬的優勢［1］:(1)調速系統具有更多的控制資源和潛能;(2)可以采用低功率器件實現大功率電機的調速;(3)轉矩脈動的幅值小;(4)方便系統進行冗余設計;(5)電機轉子諧波損耗減小，具有良好的低速性能。

多相電機提高了電機工作的可靠性，在大電機控制中采用多相繞組設計得到了更廣泛的應用。低壓變頻器技術已經是成熟的技術，因此低壓變頻器在交流電機控制上得到了廣泛應用。

文獻［3］研究了多相同步電動機的數學模型和仿真;文獻［4］研究了雙三相異步電動機的數學模型和仿真實驗。本文分析六相雙Y 型相移30°繞組結構的交流電機的數學模型，并且在工程實現上采用通用低壓變頻器VaconNXP 進行了控制實現，通過Vacon 變頻器的特殊軟件完成兩臺變頻器的同步控制和相位相差30°控制。采用低壓交流變頻器具有性能可靠、故障率低、價格低廉、使用簡單、維護方便等特點。

1 雙繞組電機的模型分析

本文分析的六相雙Y 位移30°的交流電機屬于多相非對稱系統。此電機采用兩臺NXP 變頻器控制。圖1 為變頻控制系統的主電路圖。電機的每套三相繞組用一臺變頻器控制，變頻器間采用光纖通信，組成主從控制系統。

電動機雙定子繞組如圖2 所示。繞組1 為UVW 三相，繞組2 為U1V1W1三相，繞組2 順時針滯后繞組1 為30°。

圖1 雙繞組電機變頻器控制主電路

圖2 六相電機定子繞組空間分布

由于電機定子繞組2 滯后繞組1 為30°，在繞組1中產生的磁鏈Ψ1與繞組2 中產生的磁鏈Ψ2疊加，產生的磁鏈和Ψ 最大，需要通入繞組2 的三相交流電在相位上也滯后通入繞組1 的交流電30°。

為便于分析做理想電機的假設

(1)兩套繞組空間相差30°電角度。每套繞組在空間上對稱布置。

(2)忽略遲滯現象、鐵損、磁路飽和的影響。

(3)定子通三相對稱電流，氣隙磁場在空間為正弦波分布，忽略電流諧波影響。

基于上述假設可得電機定子和轉子的電壓方程為

式中，U、I、R、Ψ—定、轉子繞組電壓矢量、電流矢量、電阻矩陣、磁鏈矢量。通過派克變換可以獲得基于電機轉子一起旋轉的坐標系—dq 坐標的數學模型［2］。

以電流為狀態變量的dq 坐標系的狀態方程如下

2 雙繞組電機變頻控制系統

鞍山某水廠的雙繞組西門子電機電壓690V，定子每套繞組額定電流440A，額定速度995rpm，額定頻率50Hz，功率因數cosφ=0.83。使用變頻器控制電機達到調節水壓的目的。控制系統如圖3所示。變頻器采用Vacon 公司的NXC0460 6G2L0SSFA1A2D2 變頻器兩臺，Vacon 變頻器具有IEC 61131-3 編程平臺軟件，在應用層軟件對用戶開放，編程語言可以用功能塊圖(FBD)，結構文本(ST)和順序功能圖(SFC)三種語言。在變頻器應用層內置算法比外置控制器如PLC 等具有抗干擾性強的特點。此電機為雙繞組相位差為30°電機。為了實現相位控制，采用兩臺變頻控制組成主從控制。

針對電機雙繞組控制要求，利用Vacon 變頻器的編程平臺編制主從同步控制程序Drive-Synch。此程序最多可以控制4 臺變頻器構成主從結構，不同變頻器間可以調整輸出電壓的相位，控制多達四套獨立繞組的電動機工作。

變頻器控制系統圖如圖3 所示。主電路為交流電壓690VAC 給兩臺變頻器供電。兩臺變頻器的輸出UVW 分別接到電機的兩套繞組上。變頻器的控制信號有:機旁的手操器給定電壓信號，用于調節變頻器輸出頻率;上位機PLC 給定信號，用于遠程控制時控制變頻器輸出頻率;起動開關KA1，當此常開觸點閉合時，本地控制變頻器起動，當此開關斷開時，變頻器停機;故障復位轉換開關SW1用于復位變頻器故障;本地遠程控制轉換開關SW2，用于控制本地起動變頻器還是遠程起動變頻器，當SW2開關閉合時為遠程控制，KA2開關為起動信號，AI2+與AI2-為頻率給定端子。當SW2開關斷開時為本地控制，KA1開關為起動信號，AI1+與AI1-為頻率給定端子。變頻器的D2卡用于主從控制通訊，為光纖連接。

圖3 變頻器控制系統圖

主從變頻器除了設置電機名牌參數外，還需要設置主從控制參數，見表1。

表1 變頻器參數

變頻器主從工作，電機空載時的從機工作曲線如圖4 所示。曲線中有電機電流、電機速度、變頻器輸出頻率、電機轉矩、電機電壓。

圖4 從變頻器空載曲線

從圖中可以測量出電機繞組2，即變頻器從機在T=1'30″時的數據，見表2 可以得出電機空載正常工作。

表2 變頻器實測數據

控制系統上位機采用西門子PLC 控制，人機界面采用昆侖通態TCP1061Ti 觸摸屏，PLC 接收現場水管的壓力信號，根據給定壓力通過PID 控制算法輸出模擬量送給主從變頻器的主機，控制變頻器輸出頻率，控制電機轉速，電機控制水泵的抽水量，最終達到控制水壓的目的。

3 結語

本文中設計的雙繞組電機控制系統，控制水廠水泵的供水，帶負載后，主從變頻器的電流負載平衡，電機工作穩定，實現了水廠穩定供水。雙繞組電機具有冗余，當一套繞組有故障或一臺變頻器有故障時;另一繞組或變頻器可以繼續工作，保證系統能在減小負載的情況下繼續工作。

采用多臺變頻器對多套繞組的大功率電機進行控制調速，相對于高壓控制系統，系統運行穩定可靠，成本低。此方案系統具有很好的推廣價值。

［1］ 侯立軍，蘇彥民. 多相感應電動機調速系統的發展現狀和應用前景.微特電機，第34 卷第5 期42-44.

［2］ 馬志云.電機瞬態分析［M］.北京:中國電力出版社，1998.5.

［3］ 喬鳴忠，張曉峰，任修明.多相永磁同步電動機數學模型的分析與研究［J］.中國航海，2003(1):67-72.

［4］ 江華，伍小杰.基于MATLAB/SIMULINKD 的雙三相異步電機的仿真模型及性能分析［J］.大電機技術，2006(6):34-37.

［5］ 王步來，顧偉.雙三相異步電動機的建模和方針研究.電機與控制學報，第12 卷第6 期666-669.