基于PLC和變頻器的雙饋電機控制技術研究

摘要：針對雙饋電機勵磁控制技術的特殊性，建立了其勵磁電壓和頻率的控制模型，研究了一種基于可編程邏輯控制器(PLC)和變頻器的新型雙饋電機勵磁控制技術。該方法利用USS通信協議實現PLC對變頻器輸出特性的動態控制，能對變頻器輸出頻率和電壓進行單獨調節。在此基礎上，構建了實驗系統，進行相關實驗研究。理論分析和實驗結果表明，該控制方法是可行的，特別適用于雙饋電機等需要進行變頻、變壓控制的負載，具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：雙饋電機；變頻器；可編程邏輯控制器；控制特性

1 引言
雙饋電機也稱交流勵磁電機，它包括電機本身和交流勵磁自動控制系統，在風力發電和風機、泵類負載拖動系統中有著廣泛應用。其定子繞組接工頻電網，轉子繞組由具有可調節頻率、相位、幅值和相序的三相電源激勵，通常需采用專用勵磁控制系統，研制周期長，成本較高。
這里在研究S7-200 PLC和MM4系列變頻器之間的USS通信功能的基礎上，結合變頻器本身提供的用戶自定義V／F控制方式，研究并實現了
變頻器輸出頻率與輸出電壓的分別控制。提出了一種新的雙饋電機控制方法，采用技術成熟、性能可靠的PLC和變頻器等器件設計并實現了一種新型雙饋電機控制系統，理論分析和實驗表明，所提出的控制技術可行，不僅結構簡單，而且可靠性高，具有很高的實用價值。

2 雙饋電機的勵磁控制
2．1 雙饋電機的基本方程
選取d，q同步旋轉坐標系，使d軸方向與定子磁鏈ψ1一致，則ψd1=ψ1，ψq1=0。由于定子電壓u1領先于ψ190°時間電角度，因此u1應落在q軸上，即uq1=U1為常數，ud1=0。定子電流同樣可分為轉矩電流分量iq1和磁場電流分量id1。在d，g坐標系中，采用電動機慣例，定子磁場定向雙饋電機的基本方程為：

式中：L1為定子繞組電感；r2，L2分別為折算到定子側的轉子繞組電阻和電感；Lm為定轉子繞組間的互感；下標1，2分別表示定子量和轉子量；p為微分算子。
2．2 勵磁電壓控制特性
假設雙饋電機定子接無窮大電網，穩態時，d，q坐標系中各相電壓和電流均為直流量，式(1)中p=0。將ω1￡1=X1，ω1L2=X2，ω1Lm=Xm代入式(1)得：

式(3)即為簡化的雙饋電機轉子勵磁電壓控制模型，轉子勵磁電壓是轉差率的函數。
2．3 勵磁頻率控制特性
根據感應電機定、轉子繞組電流產生的旋轉磁場相對靜止的原理，可得雙饋電機運行時，電機轉速與定子繞組電流頻率的數學關系為：

式中：f2為定子電流頻率，與電網頻率相同；np為電機的極對數：n為雙饋電機的轉速。
由式(4)可知，調節f2即可控制n。當nn1(n1為電機的同步轉速)時，雙饋電機處于亞同步速運行，f2>0；當n>n1時，雙饋電機處于超同步速運行，f20(負相序)；當n=n1時，f2=0，變流器向轉子提供直流勵磁，此時雙饋電機作為同步電機運行。
根據雙饋電機的控制特性可知，其勵磁控制系統必須能單獨調節勵磁電壓和頻率。