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(xié)議實現(xiàn)PLC對變頻器輸出特性的動態(tài)控制，能對變頻器輸出頻率和電壓進行單獨調(diào)節(jié)。在此基礎上，構建了實驗系統(tǒng)，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(tǒng)，在風力發(fā)電和風機、泵類負載拖動系統(tǒng)中有著廣泛應用。其定子繞組接工頻電網(wǎng)，轉子繞組由具有可調(diào)節(jié)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(tǒng)，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(xiàn)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(xiàn)了一種新型雙饋電機控制系統(tǒng)，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(shù)，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(wǎng)，穩(wěn)態(tài)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(shù)。
2．3 勵磁頻率控制特性
    根據(jù)感應電機定、轉子繞組電流產(chǎn)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(shù)學關系為：
   
    式中：f2為定子電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同；np為電機的極對數(shù)：n為雙饋電機的轉速。
    由式(4)可知，調(diào)節(jié)f2即可控制n。當n<n1(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，f2<0(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(jù)雙饋電機的控制特性可知，其勵磁控制系統(tǒng)必須能單獨調(diào)節(jié)勵磁電壓和頻率。

3 基于USS協(xié)議的變頻器輸出特性控制
    USS是為變頻器開發(fā)的通信協(xié)議，可支持變頻器與PC或PLC之間建立通信連接，適用于規(guī)模較小的自動化系統(tǒng)。
    通過USS通信，PLC可通過程序在變頻器運行階段動態(tài)設置變頻器參數(shù)，從而使變頻器完成輸出頻率一定時，輸出電壓連續(xù)可調(diào)；變頻器輸出電壓一定時，輸出頻率連續(xù)可調(diào)的功能。
3．1 變頻器輸出電壓調(diào)節(jié)
    變頻器可編程用戶V／F曲線如圖1所示。以用戶自定義V／F輸出曲線中的第3段為例，分析輸出頻率不變時輸出電壓的調(diào)節(jié)過程。

    根據(jù)控制系統(tǒng)的要求設定用戶自定義V／F曲線的端點坐標，用USS通信程序的USS_CTRL指令在[fmin，fmax]范圍內(nèi)設置變頻器的輸出頻率fr。用USS WPM R指令同時增大或減小用戶自定義V／F曲線兩個端點的縱坐標，即可動態(tài)增大或減小變頻器輸出電壓值。采用此方法兩個端點縱坐標的變化量即等于變頻器輸出電壓的變化量。設控制點(fr，U)在第3段V／F曲線上，可見此段曲線的端點和控制點的橫坐標均為常量，縱坐標均為變量，得出第3段用戶自定義V／F曲線斜率為：
   
    式中：fr為給定輸出頻率；P1323由USS_WPM_R(P1323)指令動態(tài)設定；P1325由USS_WPM_R(P1325)指令動態(tài)設定；P1324，P1322為第3段用戶自定義V／F曲線橫坐標設定值。
    由式(5)可得輸出電壓控制模型為：
   
    變頻器輸出電壓值以△U為步長的控制過程如圖2所示，是一簇平行線，從而實現(xiàn)變頻器輸出頻率一定時輸出電壓連續(xù)可調(diào)的功能。

3．2 變頻器輸出頻率調(diào)節(jié)
    為使變頻器輸出頻率變化時輸出電壓保持不變，其控制方法是相應改變用戶自定義V／F曲線第3段曲線兩個端點的縱坐標，用USS通信程序控制變頻器的輸出電壓恒為設定值Ur。當變頻器輸出頻率增大時，減小該段曲線兩個端點的縱坐標；當變頻器輸出頻率減小時，增大該段曲線兩個端點的縱坐標，在調(diào)節(jié)頻率過程中保持第3段用戶自定義V／F曲線的斜率不變，即：
   
    式中：k為常數(shù)，k=(P1324-P1322)/(P1325-P1323)。
    式(8)對應的輸出特性曲線如圖3所示，是一簇平行線，從而實現(xiàn)變頻器輸出電壓一定時輸出頻率連續(xù)可調(diào)的功能。

    綜上所述，通過PLC的USS通信控制程序，能夠實現(xiàn)變頻器輸出頻率一定時，輸出電壓連續(xù)可調(diào)；輸出電壓一定時，輸出頻率連續(xù)可調(diào)的功能，從而滿足雙饋電機的勵磁控制需要。

4 新型雙饋電機控制系統(tǒng)的組成
    新型雙饋電機控制系統(tǒng)由S7-200 PLC和MM440變頻器、TP177B-6觸摸屏、電壓變送器、電流互感器、電流變送器、啟動檢測電路、監(jiān)測保護電路、雙饋電機、負載等組成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

    采用PLC作為微控制器，MM440變頻器作為雙饋電機的勵磁電源。PLC根據(jù)檢測到的各個參數(shù)動態(tài)地控制變頻器的輸出，使雙饋電機不僅能
正常帶動負載運行，而且能對電網(wǎng)進行無功補償，以提高雙饋電機和局域電網(wǎng)的整體運行效率。

5 實驗結果分析
    實驗采用Pn=2．8 kW，nn=1 370 r·min-1的JR系列繞線轉子電機。當雙饋電機穩(wěn)定運行后，保持變頻器輸出電壓為17 V，控制變頻器輸出頻率以0．3 Hz的步長增減，得到如圖5a所示的雙饋電機轉子側變頻調(diào)速實驗曲線，由圖可見，實驗結果與理論分析完全一致。

    雙饋電機的另一個技術特點是能通過控制勵磁電壓的幅值，調(diào)節(jié)功率因數(shù)，從而節(jié)約能源和提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。實驗是在變頻器輸出頻率為5 Hz時進行的，調(diào)節(jié)變頻器的輸出電壓步長為1 V。雙饋電機定子側功率因數(shù)與轉子勵磁電壓的關系曲線如圖5b所示。
    對雙饋電機而言，欠勵時功率因數(shù)滯后，過勵時功率因數(shù)超前，正常勵磁時功率因數(shù)等于1。

6 結論
    所提出的MM4系列變頻器輸出特性的控制方法，特別適用于控制雙饋電機等需要對頻率和電壓進行單獨調(diào)節(jié)的負載。S7-200 PLC與MM4
系列變頻器之間的USS通信功能提高了控制系統(tǒng)的響應速度和運行可靠性。所構建的雙饋電機控制系統(tǒng)結構簡單、成本低、抗干擾能力強，具有很好的人機交互界面，因此具有一定的實用價值和良好的應用前景。