基于PLC技術的變頻器自動控制研究

魏國蓮 林成全

摘? 要： 研究基于PLC技術的變頻器自動控制，由電源、編程器、中央處理單元、存儲器、輸入輸出單元和外部設備組成的PLC接收變頻器發出指令后分析指令，并利用編程后指令控制變頻器?；谧冾l調速基本原理，具體分析變頻器在工頻范圍調節大于電源頻率、工頻范圍調節小于電源頻率、轉差頻率控制三種情況下變頻調速控制方程，利用控制方程實現基于PLC技術的變頻器不同工作狀態時的自動控制。實驗結果表明，將該方法應用于某電動修井機恒功率自動控制系統中，可有效實現系統的變頻自動控制，采用該方法控制的修井機恒功率自動控制系統在10天變頻工作狀態下平均能耗與平均用電量僅為181 J以及1 181 kW·h。

關鍵詞： 變頻自動控制; PLC技術; 變頻器控制; 指令編程; 調速控制; 電動修井機

中圖分類號： TN876?34; TM921.51? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）17?0092?04

Abstract： The frequency converter automatic control based on PLC technology is researched in this paper. The PLC composed of the power supply， programmer， CPU （central processing unit）， memory， input/output unit and external equipment， receives the instructions sent out by frequency converter， and then analyzes them. The programmed instruction is used to control the frequency converter. The governing equation of variable frequency speed regulation is analyzed according to the basic principles of variable frequency control speed when the frequency converter is used to adjust the supply frequency being larger than the power frequency in power frequency range， the supply frequency being smaller than the power frequency in power frequency range and the slip frequency control. The governing equation is used to realize the frequency converter automatic control （in different working states） based on PLC technology. The experimental results show that the frequency conversion automatic control of the system can be effectively achieved when the proposed method is used in the constant power automatic control system for a certain electric workover rig. The average energy consumption and average electricity consumption of the constant power automatic control system of the workover rig controlled with this method are only 181 J and 1 181 kW·h under the 10?day frequency conversion working condition.

Keywords： variable frequency automatic control; PLC technology; frequency converter control; instruction programming; speed regulation control; electric workover rig

0? 引? 言

PLC自動控制技術又名可編程邏輯控制器，PLC技術可將程序語言利用編程轉化為工作指令，通過編程實現各種指令高效運作，具有穩定性強、不容易被外界干擾、體積小的優勢，可有效降低人工使用率，被廣泛應用于各種工業生產領域中，使工業生產控制實現自動化，加快工業生產效率且保證工業生產精準性[1?2]。

變頻器是指將固定頻率的工頻電源轉換至不同頻率交流電源的設備，通過變頻器可有效實現電動機變速運行，變頻器主要包括轉矩控制、適量控制、協調控制、轉差頻率控制等多種方式。變頻器利用高性能處理器實現電路控制[3]，通過A/D或D/A接口接收工作系統發出的信號，利用相應處理實現正反轉操作控制、啟動停止等信號處理[4]。

本文研究基于PLC技術的變頻器自動控制原理，PLC自動控制技術掃描周期為幾毫秒到幾十毫秒不等，實時性強，有利于變頻器靈活控制。變頻器接收PLC輸入的模擬信號，利用A/D轉換裝置將模擬信號轉換為數字信號后發送至微處理器，微處理器有效處理后發送至變頻器，實現電動機變頻自動控制。

1? 變頻器自動控制研究

PLC接收變頻器發出指令后分析指令，并將指令編程，將編程后指令發送至變頻器實現電動機整體運行和自動控制。PLC技術全過程可利用顯示器實時顯示與處理，系統遇見故障時，可有效報警，提升工作效率[5]。

1.1? PLC技術

PLC技術利用微處理器作為處理核心，主要作用是實現工作系統數字控制[6]，通過基于PLC技術的變頻器自動控制實現電動機不同需要輸出頻率。PLC主要包括電源、編程器、中央處理單元、存儲器、輸入輸出單元和外部設備。PLC內部組成結構圖如圖1所示。

1） 電源。PLC技術需要穩定的電源實現供電，PLC的輸入輸出模塊以及中央處理器需要直流供電電源實現供電，穩定的供電電源可保證PLC正常運行。

2） 編程器。利用編程器實現PLC技術系統程序編輯，PLC技術的編程器具有人機對話窗口[7]，調試編程器中程序實現控制PLC。

3） 中央處理單元。PLC技術利用中央處理單元實現數據整理并下發指令至變頻器，中央處理單元是PLC技術的核心部分，通過中央處理單元實現控制器與運算器信號控制和信號處理。中央處理單元是協調PLC有效運行的重要部分，PLC性能由中央處理單元決定[8]，中央處理單元運行速度直接決定變頻器控制效率。

4） 存儲器。PLC利用存儲器實現信息存儲，存儲數據包括PLC接收數據、變量和內部程序等，PLC需要存儲大量內容，實現變頻器自動控制操作[9]，PLC的系統程序需存儲于系統程序存儲器。

5） 輸入輸出單元。PLC利用輸入輸出單元實現外部通信。PLC運行過程中，輸入模塊接收信號后發送至中央處理單元，中央處理單元利用處理后模擬信號與開關信號實現變頻器自動控制。PLC接收信號以及控制信號輸出均需要利用輸入輸出單元實現。

6） 外部設備。PLC需要與計算器、打印機、圖形監控系統等外部設備連接[10]，利用外部接口實現外部設備與可編程控制器連接與控制。

1.2? 變頻器自動控制

1.2.1? 變頻器調速基本原理

交流電機具有價格低、節能和體積小的優勢，已漸漸取代直流電機應用于各種工業生產中，交流電機調速具有節能效果明顯、控制精度高的優勢[11]。

交流異步電機轉子轉速公式如下：

式中：[g1]與[δ1]分別表示定子電源頻率以及相應角頻率;[p]與[d]分別表示異步電機磁極對數以及電動機轉差率。

電動機轉差率公式如下：

式中：[md]與[δ]分別表示異步電機同步轉速以及固有角頻率。

異步電機同步轉速公式如下：

通過以上公式可以看出，異步電機轉子轉速以及同步轉速在異步電機定子繞組電源頻率發生變化時隨之改變。交流異步電動機同步轉速大于異步電機轉子轉速[12]，電動機同步轉速與轉速變化具有相關性。交流異步電動機同步轉速與實際轉速在頻率降低時隨之降低;交流異步電動機同步轉速在頻率增加時大于實際轉速。電動機轉速利用電源頻率大小變化而改變的方法為變頻調速，變頻器的主要目的是改變電源頻率實現電動機轉速改變。

1.2.2? 變頻器調速基本控制方程

由上文可知，利用電源頻率可有效改變電動機轉速。實際應用中由于僅改變電源頻率，電動機其他物理特性隨之改變[13]，影響電動機機械特性以及轉差率，電機轉速僅改變電源頻率，獲取的最終轉速并不正常，交流電動機變頻調速包括以下三種狀態。

1） 工頻范圍調節大于電源頻率。交流電動機定子繞組感應電動勢為：

式中：[W]與[RW1]分別表示繞組系數以及電機定子繞組匝數常數;[Γ1]表示交流電機各級磁通。

定子繞組感應電動勢與定子電壓間的關系如下：

式中：[Oe]與[Cm]分別表示異步電動機電磁轉矩以及轉矩常數;[I2]與[cos φ]分別表示轉子電流轉換至定子電流的有效值以及轉子電路各相功率因數;[Γ1]表示異步交流電動機磁通。

由以上公式可知，異步電動機電磁轉矩隨磁通增加而增加，隨磁通減小而減小。電動機電源頻率與定子電壓同時增加或降低時，定子電壓與電源頻率之比保持不變[14]，電動機磁通與電子轉矩大小并未發生變化，電動機工作狀態未發生改變，以上過程為恒磁通調速。

2） 工頻范圍調節小于電源頻率。交流異步電動機工作工程中，電源電壓需時刻保持小于電動機的額定電壓，電源頻率在定子電壓并未改變而有所增加時，定子電壓與電源頻率之比降低，電動機磁通與電磁轉矩降低，電動機實際轉速由于電源頻率增加而增加。電動機實際工作過程中，電動機功率與電磁轉矩和角速度關系如下：

通過以上過程可知，電動機功率與角速度以及電磁轉矩成正相關性，其中角速度公式如下：

為保持交流電動機功率不變，電動機調速過程中利用轉矩與頻率改變，實現電動機調速，以上過程為恒功率調速。

3） 轉差頻率控制。三相異步電動機轉差率[d]在穩定運行狀態時極小，電動機磁通大小可通過調節定子電流使其保持不變[15]，即異步電動機的電磁轉矩增加使轉差角頻率增加。三項異步電動機電磁轉矩利用改變轉差角頻率而調節的過程為轉差頻率控制方程。

2? 仿真實驗

為檢測本文研究的基于PLC技術的變頻器自動控制有效性，將其應用于某電動修井機恒功率自動控制系統中。該系統的主電動機選取三相交流多極感應電動機，通過PLC技術和變頻器控制三相感應電動機，依據負載大小改變轉速實現電動機自動調速。實驗所用PLC變頻控制柜實物圖如圖2所示。

實驗選取西門子PLC變頻控制柜，其中包含TD500C西門子顯示屏，35 kW西門子V20變頻器1臺，額定電流與額定頻率分別為35 A以及60 Hz，額定轉速為1 100 r/min的三相交流感應電動機1臺，導線、開關、通信線纜等輔助元件若干。連接導線、接通電源后，利用制動機對三相交流電動機施加額定負載，對PLC下達正轉指令，使三相交流電動機在額定負載下啟動。設定電動機小轉速運行一段時間后，電動機穩定運行，直至自動加速至與負載所匹配的轉速。統計實驗過程中交流電動機電流與運行頻率變化情況，自動調速控制過程中電動機電流與時間變化情況如圖3所示。自動調速控制過程中電動機頻率與時間變化情況如圖4所示。通過圖3與圖4實驗結果可以看出，采用本文方法自動控制的電動修井機恒功率自動控制系統運行穩定，電動機運行過程中的頻率與電流在短時間波動后達到穩定，驗證了本文方法具有較好的自動控制效果。

設置電動修井機恒功率自動控制系統的負載重量為30 t，采用本文方法控制系統運行，實驗過程為帶載起升、下降、停止、自動調速，統計不同速度時系統運行情況，統計結果如表1所示。通過表1實驗結果可以看出，采用本文方法自動控制可有效選取運行頻率。相同負載下，不同機械檔位時運行頻率與檔位傳動比例關系相同，且自動調速狀態下未發生超載情況，本文方法依據負載可準確確定運行狀態，保護系統安全運行。

以上實驗結果說明，將本文方法應用于修井機恒功率自動控制系統中，可有效實現依據負載變換自動控制恒定功率，并且調速平滑性較好，未出現明顯震蕩情況。

統計采用PLC技術的變頻器自動控制修井機系統工作10天內系統每天的能耗變化情況，統計結果如表2所示。通過表2實驗結果可以看出：采用PLC技術的變頻器自動控制方法的修井機系統平均能耗為181 J;原有系統自動控制方法的修井機系統平均能耗為634 J。采用PLC技術的變頻器自動控制方法的修井機系統在變頻工作狀態下的能耗明顯小于原有系統自動控制方法在工頻工作狀態下的能耗，驗證了本文方法節約能耗的有效性。

基于PLC技術的變頻器自動控制方法應用于電動修井機系統中，電機由以往僅在工頻狀態下工作的單一模式改變為變頻工作模式，變頻器依據系統所需工作模式，利用PLC技術控制電機工作于不同轉速下，調整電動修井機系統工作狀態，提升系統平穩性，降低損耗，有效延長系統各設備使用期限。

統計采用PLC技術的變頻器自動控制修井機系統，工作10天內系統每天的用電量變化情況，統計結果如表3所示。

通過表3實驗結果可以看出：采用PLC技術的變頻器自動控制的修井機系統平均用電量為1 181 kW?h;原有系統自動控制方法的修井機系統平均用電量為1 684 kW?h。采用PLC技術的變頻器自動控制方法的修井機系統變頻工作狀態下用電量明顯小于工頻工作狀態用電量，驗證了本文方法具有良好的節能環保性能。

3? 結? 語

本文將PLC技術與變頻器相結合，并應用于電動修井機恒功率自動控制系統中，檢測該方法自動控制的有效性。實驗結果驗證該方法可有效實現電動修井機恒功率自動控制系統的自動控制，并具有能耗低、系統平穩的優勢。PLC技術與變頻器相結合，可改變傳統的電動機僅能工作于工頻狀態，有效彌補了傳統控制技術的缺陷，促進了變頻技術的發展。

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