變頻器和PLC的雙饋電動機節(jié)能技術優(yōu)勢及應用探討

　　1 、雙饋電動機控制理論與節(jié)能技術

　　1.1 雙饋電動機的優(yōu)勢

　　雙饋電動機不僅是屬于異步機的范疇，它還可以被稱之為交流勵磁電機（Alternating Current Exc itatio n Mo to r ACEM）或異步化同步電機（Async hro nized Sync hro no us Mo to r），因為它包含有獨立的勵磁繞組，在使用的過程中，能夠像同步電機一樣通過增加勵磁來進行功率因素的調節(jié)。同步電機其實是直流勵磁，所以它只能夠進行一個電流幅值調節(jié)，因此它一般只能夠進行無功功率的調節(jié)。而雙饋電動機能夠進行調節(jié)的量有三個，它們分別是：可調節(jié)的勵磁電流幅值、可改變的勵磁頻率以及可改變相位。這就表明了雙饋電動機為了達到調速的目的，可以采用改變勵磁頻率的方式來改變機電的速率。同樣的，在進行負荷突變的時候，也可以通過控制勵磁的頻率來改變機電的轉速，把轉子所產生的動能充分的利用起來，并吸收或者釋放負荷。雙饋電動機和同步電動機相比較，它們都能夠利用轉子勵磁的電流幅值的改變來對功率因素進行調節(jié)。因此交流勵磁在使用的過程中，不僅能夠進行無功功率的調節(jié)，還可以進行有功功率的條件，而雙饋電動機擁有眾多的優(yōu)勢主要是因為它采用的是能夠進行調節(jié)的交流勵磁電源。

　　1.2 恒視在功率節(jié)能技術

　　電機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是當有功功率發(fā)生變化的時候，可以通過對電機的功率因數(shù)進行調節(jié)，最后把電機的視在功率控制在一個固定的值。這種做法的優(yōu)點在于電機進行輕載的時候可以把剩余的電機容量作為無功功率向電網(wǎng)反饋，而當電動機重載的時候，可以把電機的功率因數(shù)的數(shù)值調節(jié)到與單位功率差不多，并且對電網(wǎng)的無功功率不進行吸收。同樣的，在風機、水泵中也可以使用恒視在功率，其主要的原因有：

　　（1）我國電廠和鋼鐵廠在工作的過程中，用電量最高的設備主要是空調、風機和水泵，因此對風機與泵實行節(jié)能措施是非常有必要的，而且節(jié)能的效果將會非常的明顯。國家對于所有企業(yè)進行生產的技術裝備都是有規(guī)定的，分別是可靠性與效率。但是對于成產過程中資源的浪費現(xiàn)象并沒有太大的重視，所以水泵與風機實施節(jié)能措施是非常有必要的。

　　（2）恒視在功率在我國的使用效率是比較低的，主要的原因是生產過程中普遍都存在“小馬拉大車”的現(xiàn)象。相關的設計院在進行設計的時候，為了盡可能的少承擔責任，都采用的是比較保守、落后的設計方案，而且使用的參數(shù)都是超出實際大小的，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險，在把壓力與流量系數(shù)進行增加，這樣一層接一層增加的現(xiàn)象最終導致了“小馬拉大車”現(xiàn)象的出現(xiàn)，也使得產品偏離了最初的設計，降低了效率。但是恒視功率的使用正好彌補了這一缺陷，而且還為工廠提供了無功功率。

　　2、PLC和變頻器的應用技術

　　在雙饋電動機的節(jié)能控制系統(tǒng)中，在選擇控制器和轉子勵磁電源的時候需要非常的小心與謹慎，因為它們的好壞直接關系到系統(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，因此它們都非常適合在雙饋電動機的控制系統(tǒng)中進行使用。

　　2.1 PLC 選型

　　在進行PLC型號的選擇時，首先要對PLC的輸入/輸出端口和通信端口的需求進行分析與確定。然后在根據(jù)雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)自身的需求，把系統(tǒng)中所有的輸入/輸出信號進行總結與分類，在根據(jù)PLC的輸入/輸出點的要求來進行I/O地址的分配，保證每個輸入/輸出信號都能夠準確的與PLC的輸入/輸出繼電器相對應，最終根據(jù)其結果來進行PLC型號的確認。

　　西門子公司的PLC 產品的品種是非常豐富多樣的，像S7 200 就是屬于小型的PLC，并且是第三代的產品了。關于S7 200所具有的特點有以下幾個方面：

　?。?）強大的功能。S7 200 的CPU 模塊有5 種，而且還能夠擴展到7 種，還可以擴展到248 點數(shù)字量的I/O，并且有30多KB 的數(shù)據(jù)存儲空間。集合了6 個高速計數(shù)器以及脈沖發(fā)生器、脈沖寬度調制器，這些都大大的提高工作的效率。能夠達到PID參數(shù)的自定。

　　（2）先進的程序結構。S7 200 所包含的程序結構是非常的簡單的，在進行編程的軟件中，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，這樣有利于達到結構化編程的目的。

　?。?）靈活方便的尋址。S7 200 所包含的各部分結構都是可以按照位、字節(jié)、字以及雙字來進行讀與寫的，例如：位存儲器、變量存儲器、輸入輸出結構等。

　　（4） 編程軟件的功能強大以及使用方便。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在進行操作的時候，其指令的功能性很強，但也便于掌握。

　?。?）強大的通信功能。S7 200 用于編程或者進行通信的CPU 模塊是RS 485接口，并且有一個或者是兩個。

　　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速電動機系列的經典，Mic roMaster440/420 主要由微處理器實現(xiàn)控制，空濾輸出主要依靠雙極型絕緣柵晶體管，綜合運行能力強勁，可以為設備帶來杰出的可靠性。與此同時，這款變頻器內部模塊結構靈活，電動機保護功能非常到位，配合RS485/232C 內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，無跳閘運行高速電流限制。

　　Mic roMaster440 所搭配的雙饋電動機節(jié)能控制，能夠滿足系統(tǒng)的各類變頻需求，例如對電壓增幅與頻率分別控制，完成功率與轉速因數(shù)的雙向調節(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，在功率越高的場地越能發(fā)揮出自身優(yōu)勢，配合ECO節(jié)能控制的無傳感器自動矢量控制，有效增強了機械制動的超前吸附、延遲釋放等控制功能，確保升降機持續(xù)穩(wěn)定運行。最后，Mic roMas.ter440對于傳送帶故障檢測也進行了優(yōu)化，可以保證生產線安全運作，利用具有自定義參數(shù)功能的PID控制器實現(xiàn)主從控制，適用于多機同軸的驅動模式。

　　3、基于PLC和變頻器的雙饋電動機節(jié)能控制系統(tǒng)設計

　　通過雙饋發(fā)動機系統(tǒng)結構圖（見圖1）我們可以發(fā)現(xiàn)，控制器系統(tǒng)主要由PLC為核心，對變頻器和切換電路進行控制，在變頻調節(jié)前進行電路檢測。觸控屏幕可以為控制系統(tǒng)帶來直觀的人機交互指令界面，隨時對系統(tǒng)參數(shù)與電機狀態(tài)展開調整，控制人員利用觸控屏幕來觀察系統(tǒng)運行。電路檢測所對應的電流頻率、相位以及電壓增幅，可以有效控制額定電壓和功率，對電機轉數(shù)也能夠很好的掌握，電路檢測功能將電壓數(shù)據(jù)通過信號傳遞給PLC，然后系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析并合理控制。起動器作用于電機，當電機軟啟動后控制電路切換模式，只有系統(tǒng)處于雙饋模式才會視作雙饋電動機成功啟動。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)的調節(jié)來控制電機整體狀態(tài)，最終實現(xiàn)節(jié)能控制目的。

　　圖1 雙饋發(fā)動機節(jié)能系統(tǒng)結構圖

　　3.1 主電路與控制電路設計

　　主電路構成參照雙饋電動機和直流發(fā)電機的回路，設計中需要注意的是，當直流發(fā)電機被雙饋電動機所負載時，后者的定子繞組需要連接到50Hz電網(wǎng)，并且經轉子繞組來對變頻器供電，電流由轉子繞組來輸入相位和頻率，進而達成對雙饋電機功率與轉速的掌握。節(jié)能控制系統(tǒng)設計需要指定PLC為控制器，用來接收和檢驗電路信號，分析電機當前電壓參數(shù)，最后PLC會依據(jù)參數(shù)來執(zhí)行內部算法，對接觸器線圈和變頻器功率輸出進行控制，全面展示出雙饋電動機運行情況。

　　3.2 雙饋電動機瞬態(tài)參數(shù)檢測電路設計

　　轉速檢測是由脈沖隔離和旋轉編碼器組成的，編碼器負責收集轉速參數(shù)，并將它轉換成為脈沖信號交由脈沖隔離電路來分析處理，成為可供PLC識別的脈沖信號，PLC將反饋信息加工優(yōu)化后，再次轉換成脈沖信號為電機設置合理轉速。在設計當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)能夠得到實時監(jiān)測，原因在于c o s 函數(shù)為偶函數(shù)，不管是正負的功率因數(shù)都會取正值，所以操作人員很難從功率因數(shù)中判斷負載情況，在設計當中可以將電流電壓作為根據(jù)，對線路超前與落后的功率因數(shù)進行判斷。與此同時，功率因數(shù)作為非線性函數(shù)，無法利用線路模擬來搭接，對此可以針對功率因數(shù)來設計微處理器。

　　3.3 變頻器容量釋放電路設計

　　變頻器容量釋放的意義在于維持變頻器安全運行，設計的原則要基于不對容量進行更改，運用當前通用變頻器條件來增強電流輸出，進而讓電流符合雙饋電機的系統(tǒng)控制要求。變頻器容量釋放在設計中可以運用降壓方法，讓轉子接在電機的電壓器副邊、變壓器原邊，讓雙饋電機持續(xù)穩(wěn)定在1350rpm 范圍內重載，如果電機功率因數(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。完成轉子連接后，將變頻器的電壓電流提升到3 倍，這樣便實現(xiàn)了變頻器釋放3 倍的容量，在這一設計階段需要注意的是，根據(jù)雙饋電動機的轉子感應和電壓電流特征，變頻器電壓輸出為低頻狀態(tài)，故系統(tǒng)當中所應用的降壓變壓器需要換為專用低頻變壓器。

　　4、結束語

　　電機節(jié)能技術經過長期發(fā)展，在今天已經取得了不少成就，它作用的領域十分廣泛，例如石油化工、冶金、輕工業(yè)等，對于電機節(jié)能技術的需求可謂與日俱增。通過對系統(tǒng)設計的全面優(yōu)化，推廣變頻調速控制設備，適應各類需要進行速度調節(jié)與流量調節(jié)的生產，有效運用電機系統(tǒng)，能夠為容量配備以及電機系統(tǒng)整體運行提供有力保障，深入研究和拓展電機容量，為生產制造加強動力。電機控制系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行，需要依賴完善的過程控制和能源配置，我國應當進一步推廣電機節(jié)能技術，幫助企業(yè)獲得更高的利潤空間和生產安全保障。