基于自动控制技术的变频调速控制系统

张叶

(晋中职业技术学院机电工程系，山西 晋中 030600)

1 引言

随着国民经济和工业生产的不断发展，异步电机以其可靠性高、适应性强、易于控制的特点，在各行各业中得到了广泛的应用。基于异步电机的控制方法，异步电机的控制需要通过变频驱动装置来实现，并且在进行异步电机调速控制的时候，需用到可编程逻辑控制器(PLC)作为下位机，将具体的调速控制要求编写成PLC程序，由PLC总体控制异步电机的调速过程，将具体的控制命令下发给变频驱动装置，通过变频驱动装置控制异步电机的调速。

2 变频调速控制原理

异步电机的调速控制需要通过变频驱动装置来实现，变频驱动装置的主电路拓扑结构如图1所示。

图1 变频驱动装置主电路拓扑结构

变频驱动装置的主电路主要分为三相四象限整流器和三相逆变器两部分逆变器，四象限实现三相交流电到直流电的变换，逆变器实现直流电到三相交流电的变换。这样就能实现交流电源频率的改变。

异步电机的调速公式如式(1)所示。

其中，n为异步电机的转速，f为异步电机的定子频率，pn为异步电机的极对数。由式(1)中可以发现异步电机转速n与异步电机的定子频率f呈现出正比例关系，即调节异步电机的定子频率就能够实现对异步电机转速的调节。

根据电机学的原理，则可以的得到异步电机的电磁转矩表达式为:

其中，Φm为气隙中的磁通，I2为转子中的电流，cosφ2为转子侧的功率因数，这些变量都是存在耦合关联的，无法对其进行直接控制。正是由于异步电机中的多个变量存在耦合关系，从而使得异步电机无法像直流他励电机一样实现解耦控制。

矢量控制技术能够有效处理异步电机控制变量耦合的问题，成功的将异步电机的磁通和转矩进行了解耦处理，能够分别进行独立控制。其基本思想是将异步电机定子侧的电流矢量分解为励磁电流(等同与直流电机的励磁电流)分量和转矩电流(等同于直流电机的电枢电流)分量，励磁电流分量用于产生磁场，转矩电流分量用于产生转矩，并同时对两个变量的幅值和相位进行控制。具体方法是将异步电机的三相静止坐标系下三相定子电流IA、IB、IC，基于磁场等效原则通过坐标变换，得到两相静止坐标系下的正交电流Ia、Ib，在通过旋转坐标变换，得到同步旋转坐标系下的电流IM、IT(IM等同于励磁电流、IT等同于电枢电流)。然后采用直流电机的控制方法，计算得到控制量，再通过上述坐标变换的逆变换过程，实现对异步电机的控制。其本质就是从数学模型的角度出发，将交流电机变换为直流电机，分别对解耦后磁场分量和转矩分量进行独立控制，矢量控制的原理如图2所示。

图2 矢量控制原理

3 变频调速系统硬件组成

异步电机变频调速系统的功能就是实现对异步电机的转矩、转速的控制。该调速系统的硬件构成主要包括:电源设备、上位机(计算机)、下位机(PLC)、调速电机、负载电机、制动装置、传感器等，如图3所示。

图3 异步电机变频调速系统构成

计算机在异步电机变频调速控制系统中承担上位机的作用，是调速系统的关键组成部分，通过计算机能够实现系统的硬件组态配置、通信模式的设置、以及状态参数的显示和控制参数的下发；PLC承担下位机的作用，能够实时接收上位机下发的控制命令，对整个调速过程实现自动化控制；电源设备包括了380V动力电源(给变频驱动装置提供电源)、24V控制电源(给PLC、变频驱动装置，传感器等提供控制电源)、变频驱动装置(共有两套，其中一套用于给调速电机供电，另一套用于给负载电机供电)；电压、电流传感器负责采集异步电机的定子侧电压和电流，电信号经过PLC的模拟量采样通道实现模数转换，然后再传送到PLC，速度信号由光电编码器采集，然后再传送到PLC。

PLC选用西门子公司的S7－300系列的模块化PLC，主要包括了电源模块、CPU功能模块、信号采集模块、接口模块等，全部模块均布设在机架上。变频驱动装置是异步电机变频调速系统的核心，选用西门子公司的Sinamics S120，能够实现矢量控制功能，该变频驱动装置同样采用了模块化结构，包括了主控单元CU320、进线接口模块、四象限整流模块、逆变器模块等，具体的结构如图4所示。

图4 Sinamics S120组成结构

控制单元CU320，是变频驱动器的核心所在，是变频驱动器的控制中枢，实现异步电机变频调速系统中磁链环、转矩环的控制，并且具备与其他模块进行数据交互的实时能力；进线接口模块实际上就是滤波器，能够将来自于电网的交流电压、交流电流进行处理；四象限整流模块具备闭环整流功能和闭环回馈功能，将三相交流电整流得到直流电供给逆变器；逆变器模块将直流电再变换为频率可调的交流电，供给异步电机使用。

4 能量回馈原理

该异步电机变频调速系统采用了共直流母线结构，能够将工作在发电状态下的异步电机发出的能量回馈到直流母线处，用于给工作在电动状态下的异步电机提供能量。直流共母线结构允许在一个四象限整流模块的直流母线侧并联多个逆变器模块，这样设计的好处是能够以实际的电机工作状态为依据，将同一时刻处于不同状态的电机进行优化组合，保证直流母线侧的功率能够维持在一个较低的水平，对能源进行有效地利用，实现能量的循环利用。

在该异步电机变频调速系统中，调速电机在变频驱动装置的控制下，输出正转矩，工作在电动状态；负载电机同样在变频驱动装置的控制下，输出负转矩，工作在发电状态，其发出的电能能够通过逆变器模块回馈到直流母线，再由另一个逆变器模块给调速电机供电，由调速电机消耗掉。综合考虑变频驱动装置的损耗情况，调速电机出去消耗掉负载电机发出的电能外，还需要消耗来自于四象限整流器的能量，能量回馈原理如图5所示。

图5 能量回馈原理

5 变频调速系统控制软件开发

硬件设备是变频调速系统的基础，软件是调变频速系统的核心，二者需要相互协调配合，才能够保证变频调速系统安全、稳定、可靠运行。软件设计主要包括PLC与S120之间的通信实现及PLC调速控制软件的设计两部分。

5.1 PLC与S120通信实现

PLC与S120之间的通信通过报文的配置来实现，报文是指网络中进行信息交换与传输的数据单元，报文中包含了需要发送或接收的完整的数据。该调速系统中的四象限整流模块选用的是“SIEMENS telegram 370－PZD1/1”报文，两个逆变器模块选用的是“Standard telegram 1－PZD2/2”报文，两种报文的具体内容如表1和表2所示。

表1 “SIEMENS telegram 370－PZD1/1”报文内容

表2 “Standard telegram 1－PZD2/2”报文内容

5.2 PLC控制软件开发

PLC控制软件实现对整个异步电机调速过程的全自动控制，按照要求的流程编写控制程序，其负载的控制，转速的调节不需要人工参与，具体的控制流程如图6所示。

图6 试验控制流程

根据PLC的软件控制流程，需要对控制数据进行初始化，然后才能开始试验。调速电机在逐步升速到给定频率空载运行，改变负载电机的输出转矩对调速电机加载，则进入带载运行工况，此时开始进行运行数据的采集、运算、存储，在PLC程序的控制下完试验流程。在试验过程中，S120变频驱动装置实时进行故障检测，如果检测到故障，则停止测试，排查问题。

6 负载试验

负载试验的进行条件是，额定电源电压下，电机在特定的频率时带载运行，通过测量转速、转矩、定子电流I1、功率因数Cosϕ、电机效率η，输出功率n以及其他相关联参数得到该变频电机的工作特性[n，Te，I1，cosϕ，η＝f(P2)]和机械特性n＝f(Te)。工作特性和机械性能能够有效反应出电机的性能。测试数据如表3所示。

表3 被测电机变频器输出数据(35Hz)

7 结论

本文基于西门子s7－300PLC和SinamicsS120变频驱动装置，设计了基于自动控制技术的变频调速控制系统，很好的将自动控制技术和变频调速技术融合在一起，通过PLC实现调速流程的全自动控制，S120变频驱动装置接收PLC下发的命令对调速电机进行控制，这种变频调速系统具有很高的工程应用价值。