變頻器和PLC的雙饋電動機節能技術優勢及應用探討

　　我國約有60%的電動機工作在40%負荷以下的輕載狀態，這直接導致了約30%的能源被浪費。針對這種情況，電機輕載狀態下的節能技術顯得尤為重要。雙饋電動機因為其獨特的轉子單獨勵磁的特點，在電機調速、節能方面具有很大的優勢，尤其對于水泵、風機類負載更能突出其明顯的節能效果。本文首先對雙饋電動機的理論進行了分析。

　　1、雙饋電動機控制理論與節能技術

　　雙饋電動機的優勢

　　雙饋電動機不僅是屬于異步機的范疇，它還可以被稱之為交流勵磁電機(AlternatingCurrentExcitationMotorACEM)或異步化同步電機(AsynchronizedSynchronousMotor)，因為它包含有獨立的勵磁繞組，在使用的過程中，能夠像同步電機一樣通過增加勵磁來進行功率因素的調節。同步電機其實是直流勵磁，所以它只能夠進行一個電流幅值調節，因此它一般只能夠進行無功功率的調節。而雙饋電動機能夠進行調節的量有三個，它們分別是：可調節的勵磁電流幅值、可改變的勵磁頻率以及可改變相位。這就表明了雙饋電動機為了達到調速的目的，可以采用改變勵磁頻率的方式來改變機電的速率。同樣的，在進行負荷突變的時候，也可以通過控制勵磁的頻率來改變機電的轉速，把轉子所產生的動能充分的利用起來，并吸收或者釋放負荷。雙饋電動機和同步電動機相比較，它們都能夠利用轉子勵磁的電流幅值的改變來對功率因素進行調節。因此交流勵磁在使用的過程中，不僅能夠進行無功功率的調節，還可以進行有功功率的條件，而雙饋電動機擁有眾多的優勢主要是因為它采用的是能夠進行調節的交流勵磁電源。

　　恒視在功率節能技術

　　電機功率主要可以可以分為三種：無功功率、有功功率以及視在功率。恒視在功率在使用過程中的重點是當有功功率發生變化的時候，可以通過對電機的功率因數進行調節，最后把電機的視在功率控制在一個固定的值。這種做法的優點在于電機進行輕載的時候可以把剩余的電機容量作為無功功率向電網反饋，而當電動機重載的時候，可以把電機的功率因數的數值調節到與單位功率差不多，并且對電網的無功功率不進行吸收。同樣的，在風機、水泵中也可以使用恒視在功率，其主要的原因有：

　　(1)我國電廠和鋼鐵廠在工作的過程中，用電量最高的設備主要是空調、風機和水泵，因此對風機與泵實行節能措施是非常有必要的，而且節能的效果將會非常的明顯。國家對于所有企業進行生產的技術裝備都是有規定的，分別是可靠性與效率。但是對于成產過程中資源的浪費現象并沒有太大的重視，所以水泵與風機實施節能措施是非常有必要的。

　　(2)恒視在功率在我國的使用效率是比較低的，主要的原因是生產過程中普遍都存在“小馬拉大車”的現象。相關的設計院在進行設計的時候，為了盡可能的少承擔責任，都采用的是比較保守、落后的設計方案，而且使用的參數都是超出實際大小的，這樣就使得余量偏大了，壓力與流量系數也偏大了。然而制造商為了降低自身的風險，在把壓力與流量系數進行增加，這樣一層接一層增加的現象最終導致了“小馬拉大車”現象的出現，也使得產品偏離了最初的設計，降低了效率。但是恒視功率的使用正好彌補了這一缺陷，而且還為工廠提供了無功功率。

　　2、PLC和變頻器的應用技術

　　在雙饋電動機的節能控制系統中，在選擇控制器和轉子勵磁電源的時候需要非常的小心與謹慎，因為它們的好壞直接關系到系統的可靠性、穩定性以及節能性。由于PLC與通用變頻器具有其特有的優勢，因此它們都非常適合在雙饋電動機的控制系統中進行使用。

　　PLC選型

　　在進行PLC型號的選擇時，首先要對PLC的輸入/輸出端口和通信端口的需求進行分析與確定。然后在根據雙饋電動機節能控制系統自身的需求，把系統中所有的輸入/輸出信號進行總結與分類，在根據PLC的輸入/輸出點的要求來進行I/O地址的分配，保證每個輸入/輸出信號都能夠準確的與PLC的輸入/輸出繼電器相對應，最終根據其結果來進行PLC型號的確認。

　　西門子公司的PLC產品的品種是非常豐富多樣的，像S7200就是屬于小型的PLC，并且是第三代的產品了。關于S7200所具有的特點有以下幾個方面：

　　(1)強大的功能。S7200的CPU模塊有5種，而且還能夠擴展到7種，還可以擴展到248點數字量的I/O，并且有30多KB的數據存儲空間。集合了6個高速計數器以及脈沖發生器、脈沖寬度調制器，這些都大大的提高工作的效率。能夠達到PID參數的自定。

　　(2)先進的程序結構。S7200所包含的程序結構是非常的簡單的，在進行編程的軟件中，其包含的主程序、子程序以及中斷程序是分開進行保存的。子程序還可以把輸入輸出的變量作為軟件的接口，這樣有利于達到結構化編程的目的。

　　(3)靈活方便的尋址。S7200所包含的各部分結構都是可以按照位、字節、字以及雙字來進行讀與寫的，例如：位存儲器、變量存儲器、輸入輸出結構等。

　　(4)編程軟件的功能強大以及使用方便。編程軟件STEP7Micro/WINV4.0包含了梯形圖、語句表以及功能塊圖編程語言三大部分。而S7200在進行操作的時候，其指令的功能性很強，但也便于掌握。

　　(5)強大的通信功能。S7200用于編程或者進行通信的CPU模塊是RS485接口，并且有一個或者是兩個。

　　變頻器的選型

　　變頻器類型推薦西門子MicroMaster440/420，作為基于三相交流調速電動機系列的經典，MicroMaster440/420主要由微處理器實現控制，空濾輸出主要依靠雙極型絕緣柵晶體管，綜合運行能力強勁，可以為設備帶來杰出的可靠性。與此同時，這款變頻器內部模塊結構靈活，電動機保護功能非常到位，配合RS485/232C內置接口以及作用于過程控制的PI閉環控制器，滿足用戶自定義I/O端子需求，并且利用磁通電流來動態控制變頻特性，在低頻期間也可以完成力矩輸出，無跳閘運行高速電流限制。

　　MicroMaster440所搭配的雙饋電動機節能控制，能夠滿足系統的各類變頻需求，例如對電壓增幅與頻率分別控制，完成功率與轉速因數的雙向調節，在各類系統控制中均有不俗表現。輸出功率為0.74-90kW的西門子MicroMaster440，在功率越高的場地越能發揮出自身優勢，配合ECO節能控制的無傳感器自動矢量控制，有效增強了機械制動的超前吸附、延遲釋放等控制功能，確保升降機持續穩定運行。最后，MicroMas.ter440對于傳送帶故障檢測也進行了優化，可以保證生產線安全運作，利用具有自定義參數功能的PID控制器實現主從控制，適用于多機同軸的驅動模式。

　　3、基于PLC和變頻器的雙饋電動機節能控制系統設計

　　主電路與控制電路設計

　　主電路構成參照雙饋電動機和直流發電機的回路，設計中需要注意的是，當直流發電機被雙饋電動機所負載時，后者的定子繞組需要連接到50Hz電網，并且經轉子繞組來對變頻器供電，電流由轉子繞組來輸入相位和頻率，進而達成對雙饋電機功率與轉速的掌握。節能控制系統設計需要指定PLC為控制器，用來接收和檢驗電路信號，分析電機當前電壓參數，最后PLC會依據參數來執行內部算法，對接觸器線圈和變頻器功率輸出進行控制，全面展示出雙饋電動機運行情況。

　　雙饋電動機瞬態參數檢測電路設計

　　轉速檢測是由脈沖隔離和旋轉編碼器組成的，編碼器負責收集轉速參數，并將它轉換成為脈沖信號交由脈沖隔離電路來分析處理，成為可供PLC識別的脈沖信號，PLC將反饋信息加工優化后，再次轉換成脈沖信號為電機設置合理轉速。在設計當中要充分考慮到功率因數在系統控制中的重要性，配需讓功率因數能夠得到實時監測，原因在于cos函數為偶函數，不管是正負的功率因數都會取正值，所以操作人員很難從功率因數中判斷負載情況，在設計當中可以將電流電壓作為根據，對線路超前與落后的功率因數進行判斷。與此同時，功率因數作為非線性函數，無法利用線路模擬來搭接，對此可以針對功率因數來設計微處理器。

　　變頻器容量釋放電路設計

　　變頻器容量釋放的意義在于維持變頻器安全運行，設計的原則要基于不對容量進行更改，運用當前通用變頻器條件來增強電流輸出，進而讓電流符合雙饋電機的系統控制要求。變頻器容量釋放在設計中可以運用降壓方法，讓轉子接在電機的電壓器副邊、變壓器原邊，讓雙饋電機持續穩定在1350rpm范圍內重載，如果電機功率因數為1，那么變壓器副邊則必須接通13V以上的電壓和9A以上電流，得出變頻器的輸出功率為39V電壓與和3A電流。完成轉子連接后，將變頻器的電壓電流提升到3倍，這樣便實現了變頻器釋放3倍的容量，在這一設計階段需要注意的是，根據雙饋電動機的轉子感應和電壓電流特征，變頻器電壓輸出為低頻狀態，故系統當中所應用的降壓變壓器需要換為專用低頻變壓器。

　　電機節能技術經過長期發展，在今天已經取得了不少成就，它作用的領域十分廣泛，例如石油化工、冶金、輕工業等，對于電機節能技術的需求可謂與日俱增。通過對系統設計的全面優化，推廣變頻調速控制設備，適應各類需要進行速度調節與流量調節的生產，有效運用電機系統，能夠為容量配備以及電機系統整體運行提供有力保障，深入研究和拓展電機容量，為生產制造加強動力。電機控制系統的持續穩定運行，需要依賴完善的過程控制和能源配置，我國應當進一步推廣電機節能技術，幫助企業獲得更高的利潤空間和生產安全保障。