一種基于PLC和變頻器雙饋電動機的設計

郭穩穩

摘要：通過對基于雙饋電動機的石油抽油泵風力裝置進行了設計，能充分利用風力資源，達到降低開發成本的效果;同時設備結構簡便，易于推廣;系統清潔，無污染。

關鍵詞：PLC;變頻器;雙饋電動機系統設計

1 ?PLC的工作原理及系統分析

PLC的工作方式是：不斷循環的順序掃描方式。

PLC的工作過程：①公共操作;②I/O操作;③執行用戶操作;④執行外設命令。

基于PLC的掃描模式執行程序是工作的主要途徑，是高性能PLC的快速處理，主程序執行掃描模式。所以，我們在研究PLC控制系統時。第一，我們必須要掌握PLC控制對象的工作過程和工藝要求。第二，我們要掌握PLC控制系統的中電氣、液壓和氣動系統的組成部分，并認真分析電氣、液壓和氣動系統的控制原理。我們要了解檢測信號、各個控制指令、控制輸出信號這幾個部分與PLC的端口關系，還要了解它們之間的相互關系。第三，我們必須要掌握控制系統部分，并能對系統部分進行演示和分析。

我們在用PLC前，要對PLC進行一些設置，需要進行特殊設置的有以下三個參數：

1.1 高速計數器

電機轉子一側端安裝的有一個光電編碼器，只要電機轉子進行轉動，那么光電編碼器就會隨之產生相應的脈沖數量。

1.2 通信參數

在PLC里面，編寫好的控制程序必須要用PC來進行下載，如果要與PC機建立在線連接，我們就必須要設置端口0的通信參數。因此，在這里要使PC機與PLC連接起來就要用到PC/PPI電纜。

1.3 斷電數據保持

西門子S7 200系列的PLC都可以在斷點時保護輸入的數據，同時我們可以在PLC斷了電時，設置之前儲存的數據單元，這樣在下次開機時儲存的數據就會自動寫入對應的地址內。

對于雙饋電動機的控制系統來說，它不需要有保存記憶數據的功能。并且如果PLC默認的儲存數據地址發生變化，那么就會影響到雙饋電動機系統下次的正常工作，所以我們必須在斷電之后將地址全部清除為零，這樣雙饋電動機系統才會正常的工作。

2 ?變頻器的選型

變頻器我們經常使用的是西門子MicroMaster440/420，它是最為經典的三相交流調速電動機系列的變頻器。西門子MicroMaster440/420利用磁通電流進行控制變頻器的變頻特性，其中只有在低頻時才可以完成力矩的輸出，西門子MicroMaster440/420利用無閘狀態運行，這樣可以對高速電流進行很好的控制。

MicroMaster 420的輸出功率為0.12～90kW，為了滿足系統的各類變頻需求，MicroMaster 420搭配了雙饋電動機的節能控制，例如雙饋電動機對電壓增幅進行控制和對頻率進行控制時，就可以完成功率因數和轉速的雙向調節。MicroMaster 440的輸出功率為0.75～90kW，它必須在精密度高和功率高的場地才能正常的工作。它必須用無速度傳感器矢量和生態節能來進行控制，具有引導和控制功能，可以保證電梯的安全平穩運行。最后MicroMaster440故障檢測也對輸送帶進行了優化，這樣可以確保生產線的安全運作。

對于雙饋電動機節能控制系統來說，我們就要變頻器對頻率進行控制，同時也能控制電壓幅值，這樣才能實現對轉速和功率因數進行分開調節的功能。

3 ?變頻調速的基本原理

主回路（整流器、中間直流環節、逆變器）控制回路保護回路構成了變頻調速器。變頻調速的基本原理：通過改變電動機工作電源的頻率來改變電機的轉速，并且使電機轉速和使用的工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）/p（式中的n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數）來改變電機的轉速。變頻調速適用于負荷來回變化的場所，采用這種方式可以減少電力消耗，達到節能的目的。

4 ?PLC與變頻器系統的優勢

1969 年美國數字設備公司研制出第一個PLC，和通用汽車公司生產線的應用是成功的，在1982年國際電工委員會將正式命名PLC為可編程序控制器（ProgramableLogic Controller，PLC）。

PLC的優勢如下：①控制器的編程方法特別簡單易學，好掌握;②功能強，相對來說，性能比高;③硬件配套齊全，用戶使用起來比較方便;④可靠性高，抗干擾能力特別強;⑤系統的設計、安裝、調試工作量少;⑥維修工作量少，維修方便;⑦體積小，輕便，能耗低。

變頻器的優勢：①技術成熟;②縮短開發周期;③降低開發成本;④維護簡單;⑤保護功能齊全。

總之，PLC和變頻器在生活中較為廣泛應用。

5 ?雙饋電動機的優勢

雙饋電動機不僅是屬于異步機的范疇，它還可以稱之為交流勵磁電機，異步化同步電機（Asynchronized Synchronous Motor），因為它包含一個獨立的勵磁繞組，在使用過程中，相同的同步電機通過調節勵磁提高功率因數。與此同時同步電機是直流勵磁，因此只有一個電流幅度的調整，這是唯一能夠調節無功功率的途徑。

與同步電機比較，雙饋電機勵磁既可以調整勵磁電流的幅值，也可以對其頻率進行調整。另外，有功功率和無功功率可以通過振幅和相位進行轉子勵磁控制來調節。雙饋電機在這里可以調節無功功率和無功功率。一般來說，當電機吸收設備的功率時，功率角就會跟著變大，電機的穩定性就隨著功率角的變大而下降。雙饋電動機通過調整勵磁電流的相位，來降低單位功率的角度，能使機組運行的穩定性得到提升。相比之下，異步發電機電網并列運行之后，需要從電網吸收無功的勵磁電流，有可能造成電網的功率因數變壞。所以雙饋電機具有更加優越的運行性能。

6 ?基于雙饋電動機的石油抽油泵風力裝置設計

圖1是以雙饋發電機為核心組成的石油抽油泵風力裝置的構成框圖。

當工作的時候，向抽油泵電動機提供50Hz的電源，同時要讓變頻器的輸出頻率k2隨著葉軸的轉速kR的變化進行變化，即k2=100π-kR。

若風力減弱，葉軸上的輸入功率P2R=（1-s）P2≈k（1-s）P1（在這里忽略電機銅耗PCu）變小，轉速kR也隨著變小，此時轉差率s增大。這個時候，變頻器的輸出頻率k2=2πf2會隨著控制器顯示的指令，自動增加，變頻器的輸出功率P2=sP2≈sP1（此時電機的銅耗PCu可以忽略不計）也會隨著增加，負載功率P1的缺口得到了補償。當風力加大的時候，kR上升，s相應的減小，而k2下降，P2也會相應的減小。當風力特別大的時候，葉軸上的輸入風力P2R就可能會比負載功率P1大，kR>100π，s變為負。此時相序會自動改變，讓k2變為負的，此時過剩的風力就會經過變頻器回饋到電網。雙饋發電機就像是一種能量捕捉器，軸上輸入多少的機械功率它就可以采集多少，所以它就比較適合采集利用自然界中零星分散的能量。

圖2中：根據當前的風速，依靠“風力機最佳效率運算單元”，可以確定最佳的葉軸轉速kR的理想值，以此來保證風力機能夠正常的在最佳效率區域內工作;而“恒壓頻比換算單元”是能夠滿足泵機的調速要求的;信號k*1是由發電機的輸出功率給定的;U為發電機輸出相電壓的實際測得信號，U*為發電機輸出相電壓給定信號;k**R為變頻器輸出頻率、I*2為變頻器的電流幅值、h*2為變頻器的相應給定信號;vF為環境風速實測信號。

應用這種雙饋電動機組成的風力裝置，能夠向石油抽油泵提供十分充足的電力，它有著十分顯著的節能效果。如果泵機能耗的20%可以有全能的風力來提供的話，則一臺50kW的設備，大概只需要2年的時間就能夠收回全部的投資。這樣的設備在正常情況下，可以使用數十年之久，所以，還是有非常高的經濟效益的。

7 ?石油抽油泵優勢

根據減排的原則，我們可以在工程中推廣應用，油泵廣泛應用于石油開采（俗稱“磕頭機”），采用雙饋電動機主要由大功率設備的油泵驅動電機（現在更應該稱為三相交流異步電動機，約50千瓦），提供額外功率，從而達到節能的目的。因此，我們首選石油抽油泵作為工程應用，其理由如下：①一般來說，抽油泵都放置在礦野中，這樣才能有效的捕捉零星的風力資源，節能效果十分顯著，能得到相當可觀的經濟回報。②抽油泵的設備具有離散型，較易構成獨立的供電系統，供電質量被要求降低。③抽油泵屬恒穩性負載設備，所以設計出一個容量恰當的配套裝置是十分有利的。能實現一次性投資，同時達到節能帶來的經濟效益最佳的期望值。④從長遠的發展目標來看，風力發電裝置可借助抽油泵的機架，讓兩者合成為一個新的整體，這樣有利于進一步降低設備成本，提高應用的力度。⑤系統清潔，無污染。

8 ?結語

本文以提升我國的環境競爭優勢，改善工作環境，提高工作效率，對雙饋電動機設備改造做了系統分析。通過對石油抽油泵風力節能裝置的設計，能實現節能的目的，節約了我國的資源，經濟回報相當可觀;通過對變頻調速技術、原理的應用，闡述了變頻調速技術的基本概念、應用的意義，以及我國發展現狀和存在的問題，論證了變頻技術在生產系統中應用的可能性;通過對雙饋電動機的改造，不僅提高了設備的效率，并滿足了生產工藝要求，從而大大降低了設備維修成本。

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