基于PLC 和變頻技術的電機調速研究

柳新枝，羅燕杰

（阿克蘇地區中等職業技術學校，新疆阿克蘇 843000）

0 引言

隨著油田開發規模和程度的提高，對電力的依賴性與日俱增；隨著冶金行業對節能減排要求的不斷深入，應用頻率控制技術成為其發展的必然方向。隨著我國電子行業的迅速發展[1]，以及電力系統的自動化控制技術的不斷進步，頻率控制技術已被越來越多地采用。實踐證明，變頻調速技術已廣泛地用于工業領域[2]。

1 變頻調速原理

旋轉磁場的旋轉速度，即同步轉速可以從電機公式導出：

定義轉子轉速為p，根據電機阻力理論，推導出異步電機的轉差率r：

式（1）、式（2）中，p 為轉子轉速；P0為磁場速度；i 為電機的極對數；g 為工頻頻率。

用變頻調速來控制異步電機，每個磁極的磁通量都要保持不變。若降低了磁場，就會使電機的磁芯達到最大的磁通量，從而使其不能達到最大的輸出。如果磁通增大，鐵芯的磁通就會飽和，導致勵磁電流過高，而過高的溫度甚至可能損壞電機。根據式（1）、式（2），可推導出異步調速電機的轉速：

其中，異步電機的極對數i 為固定值，異步電機的轉速p 與工頻g 成線性比例，因此只要工頻改變，異步電動機的速度就可以改變。

近年來，隨著半導體技術的發展和數字控制的普及，矢量控制的運用范圍從高性能發展到一般的傳動，出現了變頻空調、冰箱、變頻洗衣機等產品。因此，采用變頻技術進行節電改造，有著廣泛的應用價值。

2 系統建模

以自動抽油機為例進行數學建模，在此基礎上應用一種基于PID 的模糊算法來實現電機的變頻調速，并對其進行仿真計算。該方法能得到最優的電機工作狀態，這對該模式的優化有很大的作用，并通過對比與觀測得到最優結果。該方法的建立直接影響到整個系統的模擬和操作，而該傳遞功能則為下一步的算法控制奠定了基礎。以下是導出和展示的系統模型的流程。與開環速度控制方式比較，閉環變頻控制能夠達到更優的穩定速度控制。

采用滑動角度轉速的變頻器可以達到恒定的轉速，采用閉環方式可以極大改善變頻器的運行效率。從電機的基本理論和機電理論來看，電機的扭矩是電機的核心參數。不計損耗的異步電機力學計算，恒值控制的異步電機機械轉矩為：

其中，在定值控制下，R1/ζ1的值是固定的，式（4）可以改寫為：

當電機穩定運行時，t 較小，分母中包含t 的項可以忽略，得到轉矩的近似關系式：

滑動角速度可以定義為：

則式（6）可表示為：

由于電機驅動抽油機運轉，具有驅動負載的性能，因此建立恒定旋轉負載下電驅動系統的運動公式：

zζ/zd 表示斜率，即時角速度可以表示為ζt：

電機的實際轉速可按式（11）計算：

由轉差率定義和ζ1=2πg1，可以得到：

選擇Y132S1-2 型三相異步電機，技術參數見表1。在電機的變頻控制中，為使其結構簡單，采用電機的參數，然后利用MATLAB 中的Simulink 進行仿真，得到系統的旋轉關系。

表1 Y132S1-2 型三相異步電機技術參數

3 試驗分析

3.1 試驗準備

（1）在抽油機、變頻器、電機等設備組裝完成后，對系統進行軟件、硬件的調試，并對系統進行試驗、數據分析。首先，在實驗室中進行常規的無負荷測試，對設備的各個部件進行測試。在室內進行負荷測試，對比和分析測試結果。本試驗的試驗臺能夠對電機在無負載時的速度進行有效檢測。通過一個預先設定的數值，實際的速度通過一個探測設備（光電編碼器）來測定，并且把該預定的數值和實際值相比較。在室內試驗電機加載時，采用張力計進行載荷模擬，以張力計的數目為載荷。

（2）在溫度15 ℃、濕度37%的條件下進行試驗。PLC 采用西門子S7-300、MM440 變頻器、3 臺Y132S1-2 型異步電機、E6C2-CWZ3E 型旋轉編碼器。載荷采用JHYT 型油田負荷型。采用C#作為計算機編程語言，MATLAB 作為模擬工具。

3.2 試驗結果

（1）在電機無負荷運轉進入平穩工況的試驗。在電機進入平穩工況后的實際速度變化情況見圖1。可以看出，在空載工況下，由于電機自身和外界的影響，電機的運行曲線有微小波動。

圖1 單位時間電機轉速

（2）電機空載運行時預設值與實際值對比實驗。轉速從小到大（預設值：頻率和轉速可以相互轉換），檢測裝置編碼器反饋的轉速值和誤差。速度測量誤差曲線如圖2 所示。對兩組數據進行了測試，以保證其可靠性。由試驗曲線可知，最大速度偏差在4%，隨著轉速的逐漸增大，誤差逐漸減小。

圖2 速度測量誤差

（3）電機空載運行時預設值與實際值的對比試驗（采用Fuzzy PID 算法來進行控制）。由低至高的速度（設定的數值：可以將頻率和速度互相轉化），并對設備編碼機的反饋進行測量。測速誤差曲線如圖3 所示。模糊PID 復合控制的轉速誤差明顯減小，該方法具有較高的準確度和較高的識別度，可以達到零速度的檢測。

圖3 速度測量誤差（Fuzzy PID 算法控制）

4 結束語

本文著重闡述了變頻調速電機節能控制的實驗研究、實驗環境及設備選擇，并對實驗結果進行分析和比較。實驗室試驗主要分析電機的運動穩定性，空載運行時電機預設值與實際值的對比實驗，并加入模糊控制實驗，將恒載下電機的預設值與實驗實測值進行對比，對不同負荷下的功率、轉速和誤差進行分析。在試驗中加入了PID 模糊控制器，使其速度穩定且測量誤差很低。