基于自動控制技術的變頻調速控制系統

張葉

(晉中職業技術學院機電工程系，山西 晉中 030600)

1 引言

隨著國民經濟和工業生產的不斷發展，異步電機以其可靠性高、適應性強、易于控制的特點，在各行各業中得到了廣泛的應用。基于異步電機的控制方法，異步電機的控制需要通過變頻驅動裝置來實現，并且在進行異步電機調速控制的時候，需用到可編程邏輯控制器(PLC)作為下位機，將具體的調速控制要求編寫成PLC程序，由PLC總體控制異步電機的調速過程，將具體的控制命令下發給變頻驅動裝置，通過變頻驅動裝置控制異步電機的調速。

2 變頻調速控制原理

異步電機的調速控制需要通過變頻驅動裝置來實現，變頻驅動裝置的主電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 變頻驅動裝置主電路拓撲結構

變頻驅動裝置的主電路主要分為三相四象限整流器和三相逆變器兩部分逆變器，四象限實現三相交流電到直流電的變換，逆變器實現直流電到三相交流電的變換。這樣就能實現交流電源頻率的改變。

異步電機的調速公式如式(1)所示。

其中，n為異步電機的轉速，f為異步電機的定子頻率，pn為異步電機的極對數。由式(1)中可以發現異步電機轉速n與異步電機的定子頻率f呈現出正比例關系，即調節異步電機的定子頻率就能夠實現對異步電機轉速的調節。

根據電機學的原理，則可以的得到異步電機的電磁轉矩表達式為:

其中，Φm為氣隙中的磁通，I2為轉子中的電流，cosφ2為轉子側的功率因數，這些變量都是存在耦合關聯的，無法對其進行直接控制。正是由于異步電機中的多個變量存在耦合關系，從而使得異步電機無法像直流他勵電機一樣實現解耦控制。

矢量控制技術能夠有效處理異步電機控制變量耦合的問題，成功的將異步電機的磁通和轉矩進行了解耦處理，能夠分別進行獨立控制。其基本思想是將異步電機定子側的電流矢量分解為勵磁電流(等同與直流電機的勵磁電流)分量和轉矩電流(等同于直流電機的電樞電流)分量，勵磁電流分量用于產生磁場，轉矩電流分量用于產生轉矩，并同時對兩個變量的幅值和相位進行控制。具體方法是將異步電機的三相靜止坐標系下三相定子電流IA、IB、IC，基于磁場等效原則通過坐標變換，得到兩相靜止坐標系下的正交電流Ia、Ib，在通過旋轉坐標變換，得到同步旋轉坐標系下的電流IM、IT(IM等同于勵磁電流、IT等同于電樞電流)。然后采用直流電機的控制方法，計算得到控制量，再通過上述坐標變換的逆變換過程，實現對異步電機的控制。其本質就是從數學模型的角度出發，將交流電機變換為直流電機，分別對解耦后磁場分量和轉矩分量進行獨立控制，矢量控制的原理如圖2所示。

圖2 矢量控制原理

3 變頻調速系統硬件組成

異步電機變頻調速系統的功能就是實現對異步電機的轉矩、轉速的控制。該調速系統的硬件構成主要包括:電源設備、上位機(計算機)、下位機(PLC)、調速電機、負載電機、制動裝置、傳感器等，如圖3所示。

圖3 異步電機變頻調速系統構成

計算機在異步電機變頻調速控制系統中承擔上位機的作用，是調速系統的關鍵組成部分，通過計算機能夠實現系統的硬件組態配置、通信模式的設置、以及狀態參數的顯示和控制參數的下發；PLC承擔下位機的作用，能夠實時接收上位機下發的控制命令，對整個調速過程實現自動化控制；電源設備包括了380V動力電源(給變頻驅動裝置提供電源)、24V控制電源(給PLC、變頻驅動裝置，傳感器等提供控制電源)、變頻驅動裝置(共有兩套，其中一套用于給調速電機供電，另一套用于給負載電機供電)；電壓、電流傳感器負責采集異步電機的定子側電壓和電流，電信號經過PLC的模擬量采樣通道實現模數轉換，然后再傳送到PLC，速度信號由光電編碼器采集，然后再傳送到PLC。

PLC選用西門子公司的S7－300系列的模塊化PLC，主要包括了電源模塊、CPU功能模塊、信號采集模塊、接口模塊等，全部模塊均布設在機架上。變頻驅動裝置是異步電機變頻調速系統的核心，選用西門子公司的Sinamics S120，能夠實現矢量控制功能，該變頻驅動裝置同樣采用了模塊化結構，包括了主控單元CU320、進線接口模塊、四象限整流模塊、逆變器模塊等，具體的結構如圖4所示。

圖4 Sinamics S120組成結構

控制單元CU320，是變頻驅動器的核心所在，是變頻驅動器的控制中樞，實現異步電機變頻調速系統中磁鏈環、轉矩環的控制，并且具備與其他模塊進行數據交互的實時能力；進線接口模塊實際上就是濾波器，能夠將來自于電網的交流電壓、交流電流進行處理；四象限整流模塊具備閉環整流功能和閉環回饋功能，將三相交流電整流得到直流電供給逆變器；逆變器模塊將直流電再變換為頻率可調的交流電，供給異步電機使用。

4 能量回饋原理

該異步電機變頻調速系統采用了共直流母線結構，能夠將工作在發電狀態下的異步電機發出的能量回饋到直流母線處，用于給工作在電動狀態下的異步電機提供能量。直流共母線結構允許在一個四象限整流模塊的直流母線側并聯多個逆變器模塊，這樣設計的好處是能夠以實際的電機工作狀態為依據，將同一時刻處于不同狀態的電機進行優化組合，保證直流母線側的功率能夠維持在一個較低的水平，對能源進行有效地利用，實現能量的循環利用。

在該異步電機變頻調速系統中，調速電機在變頻驅動裝置的控制下，輸出正轉矩，工作在電動狀態；負載電機同樣在變頻驅動裝置的控制下，輸出負轉矩，工作在發電狀態，其發出的電能能夠通過逆變器模塊回饋到直流母線，再由另一個逆變器模塊給調速電機供電，由調速電機消耗掉。綜合考慮變頻驅動裝置的損耗情況，調速電機出去消耗掉負載電機發出的電能外，還需要消耗來自于四象限整流器的能量，能量回饋原理如圖5所示。

圖5 能量回饋原理

5 變頻調速系統控制軟件開發

硬件設備是變頻調速系統的基礎，軟件是調變頻速系統的核心，二者需要相互協調配合，才能夠保證變頻調速系統安全、穩定、可靠運行。軟件設計主要包括PLC與S120之間的通信實現及PLC調速控制軟件的設計兩部分。

5.1 PLC與S120通信實現

PLC與S120之間的通信通過報文的配置來實現，報文是指網絡中進行信息交換與傳輸的數據單元，報文中包含了需要發送或接收的完整的數據。該調速系統中的四象限整流模塊選用的是“SIEMENS telegram 370－PZD1/1”報文，兩個逆變器模塊選用的是“Standard telegram 1－PZD2/2”報文，兩種報文的具體內容如表1和表2所示。

表1 “SIEMENS telegram 370－PZD1/1”報文內容

表2 “Standard telegram 1－PZD2/2”報文內容

5.2 PLC控制軟件開發

PLC控制軟件實現對整個異步電機調速過程的全自動控制，按照要求的流程編寫控制程序，其負載的控制，轉速的調節不需要人工參與，具體的控制流程如圖6所示。

圖6 試驗控制流程

根據PLC的軟件控制流程，需要對控制數據進行初始化，然后才能開始試驗。調速電機在逐步升速到給定頻率空載運行，改變負載電機的輸出轉矩對調速電機加載，則進入帶載運行工況，此時開始進行運行數據的采集、運算、存儲，在PLC程序的控制下完試驗流程。在試驗過程中，S120變頻驅動裝置實時進行故障檢測，如果檢測到故障，則停止測試，排查問題。

6 負載試驗

負載試驗的進行條件是，額定電源電壓下，電機在特定的頻率時帶載運行，通過測量轉速、轉矩、定子電流I1、功率因數Cos?、電機效率η，輸出功率n以及其他相關聯參數得到該變頻電機的工作特性[n，Te，I1，cos?，η＝f(P2)]和機械特性n＝f(Te)。工作特性和機械性能能夠有效反應出電機的性能。測試數據如表3所示。

表3 被測電機變頻器輸出數據(35Hz)

7 結論

本文基于西門子s7－300PLC和SinamicsS120變頻驅動裝置，設計了基于自動控制技術的變頻調速控制系統，很好的將自動控制技術和變頻調速技術融合在一起，通過PLC實現調速流程的全自動控制，S120變頻驅動裝置接收PLC下發的命令對調速電機進行控制，這種變頻調速系統具有很高的工程應用價值。