一种基于PLC和变频器双馈电动机的设计

郭稳稳

摘要：通过对基于双馈电动机的石油抽油泵风力装置进行了设计，能充分利用风力资源，达到降低开发成本的效果;同时设备结构简便，易于推广;系统清洁，无污染。

关键词：PLC;变频器;双馈电动机系统设计

1  PLC的工作原理及系统分析

PLC的工作方式是：不断循环的顺序扫描方式。

PLC的工作过程：①公共操作;②I/O操作;③执行用户操作;④执行外设命令。

基于PLC的扫描模式执行程序是工作的主要途径，是高性能PLC的快速处理，主程序执行扫描模式。所以，我们在研究PLC控制系统时。第一，我们必须要掌握PLC控制对象的工作过程和工艺要求。第二，我们要掌握PLC控制系统的中电气、液压和气动系统的组成部分，并认真分析电气、液压和气动系统的控制原理。我们要了解检测信号、各个控制指令、控制输出信号这几个部分与PLC的端口关系，还要了解它们之间的相互关系。第三，我们必须要掌握控制系统部分，并能对系统部分进行演示和分析。

我们在用PLC前，要对PLC进行一些设置，需要进行特殊设置的有以下三个参数：

1.1 高速计数器

电机转子一侧端安装的有一个光电编码器，只要电机转子进行转动，那么光电编码器就会随之产生相应的脉冲数量。

1.2 通信参数

在PLC里面，编写好的控制程序必须要用PC来进行下载，如果要与PC机建立在线连接，我们就必须要设置端口0的通信参数。因此，在这里要使PC机与PLC连接起来就要用到PC/PPI电缆。

1.3 断电数据保持

西门子S7 200系列的PLC都可以在断点时保护输入的数据，同时我们可以在PLC断了电时，设置之前储存的数据单元，这样在下次开机时储存的数据就会自动写入对应的地址内。

对于双馈电动机的控制系统来说，它不需要有保存记忆数据的功能。并且如果PLC默认的储存数据地址发生变化，那么就会影响到双馈电动机系统下次的正常工作，所以我们必须在断电之后将地址全部清除为零，这样双馈电动机系统才会正常的工作。

2  变频器的选型

变频器我们经常使用的是西门子MicroMaster440/420，它是最为经典的三相交流调速电动机系列的变频器。西门子MicroMaster440/420利用磁通电流进行控制变频器的变频特性，其中只有在低频时才可以完成力矩的输出，西门子MicroMaster440/420利用无闸状态运行，这样可以对高速电流进行很好的控制。

MicroMaster 420的输出功率为0.12～90kW，为了满足系统的各类变频需求，MicroMaster 420搭配了双馈电动机的节能控制，例如双馈电动机对电压增幅进行控制和对频率进行控制时，就可以完成功率因数和转速的双向调节。MicroMaster 440的输出功率为0.75～90kW，它必须在精密度高和功率高的场地才能正常的工作。它必须用无速度传感器矢量和生态节能来进行控制，具有引导和控制功能，可以保证电梯的安全平稳运行。最后MicroMaster440故障检测也对输送带进行了优化，这样可以确保生产线的安全运作。

对于双馈电动机节能控制系统来说，我们就要变频器对频率进行控制，同时也能控制电压幅值，这样才能实现对转速和功率因数进行分开调节的功能。

3  变频调速的基本原理

主回路（整流器、中间直流环节、逆变器）控制回路保护回路构成了变频调速器。变频调速的基本原理：通过改变电动机工作电源的频率来改变电机的转速，并且使电机转速和使用的工作电源输入频率成正比的关系：n=60f（1-s）/p（式中的n、f、s、p分别表示转速、输入频率、电机转差率、电机磁极对数）来改变电机的转速。变频调速适用于负荷来回变化的场所，采用這种方式可以减少电力消耗，达到节能的目的。

4  PLC与变频器系统的优势

1969 年美国数字设备公司研制出第一个PLC，和通用汽车公司生产线的应用是成功的，在1982年国际电工委员会将正式命名PLC为可编程序控制器（ProgramableLogic Controller，PLC）。

PLC的优势如下：①控制器的编程方法特别简单易学，好掌握;②功能强，相对来说，性能比高;③硬件配套齐全，用户使用起来比较方便;④可靠性高，抗干扰能力特别强;⑤系统的设计、安装、调试工作量少;⑥维修工作量少，维修方便;⑦体积小，轻便，能耗低。

变频器的优势：①技术成熟;②缩短开发周期;③降低开发成本;④维护简单;⑤保护功能齐全。

总之，PLC和变频器在生活中较为广泛应用。

5  双馈电动机的优势

双馈电动机不仅是属于异步机的范畴，它还可以称之为交流励磁电机，异步化同步电机（Asynchronized Synchronous Motor），因为它包含一个独立的励磁绕组，在使用过程中，相同的同步电机通过调节励磁提高功率因数。与此同时同步电机是直流励磁，因此只有一个电流幅度的调整，这是唯一能够调节无功功率的途径。

与同步电机比较，双馈电机励磁既可以调整励磁电流的幅值，也可以对其频率进行调整。另外，有功功率和无功功率可以通过振幅和相位进行转子励磁控制来调节。双馈电机在这里可以调节无功功率和无功功率。一般来说，当电机吸收设备的功率时，功率角就会跟着变大，电机的稳定性就随着功率角的变大而下降。双馈电动机通过调整励磁电流的相位，来降低单位功率的角度，能使机组运行的稳定性得到提升。相比之下，异步发电机电网并列运行之后，需要从电网吸收无功的励磁电流，有可能造成电网的功率因数变坏。所以双馈电机具有更加优越的运行性能。

6  基于双馈电动机的石油抽油泵风力装置设计

图1是以双馈发电机为核心组成的石油抽油泵风力装置的构成框图。

当工作的时候，向抽油泵电动机提供50Hz的电源，同时要让变频器的输出频率k2随着叶轴的转速kR的变化进行变化，即k2=100π-kR。

若风力减弱，叶轴上的输入功率P2R=（1-s）P2≈k（1-s）P1（在这里忽略电机铜耗PCu）变小，转速kR也随着变小，此时转差率s增大。这个时候，变频器的输出频率k2=2πf2会随着控制器显示的指令，自动增加，变频器的输出功率P2=sP2≈sP1（此时电机的铜耗PCu可以忽略不计）也会随着增加，负载功率P1的缺口得到了补偿。当风力加大的时候，kR上升，s相应的减小，而k2下降，P2也会相应的减小。当风力特别大的时候，叶轴上的输入风力P2R就可能会比负载功率P1大，kR>100π，s变为负。此时相序会自动改变，让k2变为负的，此时过剩的风力就会经过变频器回馈到电网。双馈发电机就像是一种能量捕捉器，轴上输入多少的机械功率它就可以采集多少，所以它就比较适合采集利用自然界中零星分散的能量。

图2中：根据当前的风速，依靠“风力机最佳效率运算单元”，可以确定最佳的叶轴转速kR的理想值，以此来保证风力机能够正常的在最佳效率区域内工作;而“恒壓频比换算单元”是能够满足泵机的调速要求的;信号k*1是由发电机的输出功率给定的;U为发电机输出相电压的实际测得信号，U*为发电机输出相电压给定信号;k**R为变频器输出频率、I*2为变频器的电流幅值、h*2为变频器的相应给定信号;vF为环境风速实测信号。

应用这种双馈电动机组成的风力装置，能够向石油抽油泵提供十分充足的电力，它有着十分显著的节能效果。如果泵机能耗的20%可以有全能的风力来提供的话，则一台50kW的设备，大概只需要2年的时间就能够收回全部的投资。这样的设备在正常情况下，可以使用数十年之久，所以，还是有非常高的经济效益的。

7  石油抽油泵优势

根据减排的原则，我们可以在工程中推广应用，油泵广泛应用于石油开采（俗称“磕头机”），采用双馈电动机主要由大功率设备的油泵驱动电机（现在更应该称为三相交流异步电动机，约50千瓦），提供额外功率，从而达到节能的目的。因此，我们首选石油抽油泵作为工程应用，其理由如下：①一般来说，抽油泵都放置在矿野中，这样才能有效的捕捉零星的风力资源，节能效果十分显著，能得到相当可观的经济回报。②抽油泵的设备具有离散型，较易构成独立的供电系统，供电质量被要求降低。③抽油泵属恒稳性负载设备，所以设计出一个容量恰当的配套装置是十分有利的。能实现一次性投资，同时达到节能带来的经济效益最佳的期望值。④从长远的发展目标来看，风力发电装置可借助抽油泵的机架，让两者合成为一个新的整体，这样有利于进一步降低设备成本，提高应用的力度。⑤系统清洁，无污染。

8  结语

本文以提升我国的环境竞争优势，改善工作环境，提高工作效率，对双馈电动机设备改造做了系统分析。通过对石油抽油泵风力节能装置的设计，能实现节能的目的，节约了我国的资源，经济回报相当可观;通过对变频调速技术、原理的应用，阐述了变频调速技术的基本概念、应用的意义，以及我国发展现状和存在的问题，论证了变频技术在生产系统中应用的可能性;通过对双馈电动机的改造，不仅提高了设备的效率，并满足了生产工艺要求，从而大大降低了设备维修成本。

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