基于PLC和变频器的双馈电机控制技术研究

摘要：针对双馈电机励磁控制技术的特殊性，建立了其励磁电压和频率的控制模型，研究了一种基于可编程逻辑控制器(PLC)和变频器的新型双馈电机励磁控制技术。该方法利用USS通信协议实现PLC对变频器输出特性的动态控制，能对变频器输出频率和电压进行单独调节。在此基础上，构建了实验系统，进行相关实验研究。理论分析和实验结果表明，该控制方法是可行的，特别适用于双馈电机等需要进行变频、变压控制的负载，具有广阔的应用前景。
关键词：双馈电机；变频器；可编程逻辑控制器；控制特性

1 引言
双馈电机也称交流励磁电机，它包括电机本身和交流励磁自动控制系统，在风力发电和风机、泵类负载拖动系统中有着广泛应用。其定子绕组接工频电网，转子绕组由具有可调节频率、相位、幅值和相序的三相电源激励，通常需采用专用励磁控制系统，研制周期长，成本较高。
这里在研究S7-200 PLC和MM4系列变频器之间的USS通信功能的基础上，结合变频器本身提供的用户自定义V／F控制方式，研究并实现了
变频器输出频率与输出电压的分别控制。提出了一种新的双馈电机控制方法，采用技术成熟、性能可靠的PLC和变频器等器件设计并实现了一种新型双馈电机控制系统，理论分析和实验表明，所提出的控制技术可行，不仅结构简单，而且可靠性高，具有很高的实用价值。

2 双馈电机的励磁控制
2．1 双馈电机的基本方程
选取d，q同步旋转坐标系，使d轴方向与定子磁链ψ1一致，则ψd1=ψ1，ψq1=0。由于定子电压u1领先于ψ190°时间电角度，因此u1应落在q轴上，即uq1=U1为常数，ud1=0。定子电流同样可分为转矩电流分量iq1和磁场电流分量id1。在d，g坐标系中，采用电动机惯例，定子磁场定向双馈电机的基本方程为：

式中：L1为定子绕组电感；r2，L2分别为折算到定子侧的转子绕组电阻和电感；Lm为定转子绕组间的互感；下标1，2分别表示定子量和转子量；p为微分算子。
2．2 励磁电压控制特性
假设双馈电机定子接无穷大电网，稳态时，d，q坐标系中各相电压和电流均为直流量，式(1)中p=0。将ω1￡1=X1，ω1L2=X2，ω1Lm=Xm代入式(1)得：

式(3)即为简化的双馈电机转子励磁电压控制模型，转子励磁电压是转差率的函数。
2．3 励磁频率控制特性
根据感应电机定、转子绕组电流产生的旋转磁场相对静止的原理，可得双馈电机运行时，电机转速与定子绕组电流频率的数学关系为：

式中：f2为定子电流频率，与电网频率相同；np为电机的极对数：n为双馈电机的转速。
由式(4)可知，调节f2即可控制n。当nn1(n1为电机的同步转速)时，双馈电机处于亚同步速运行，f2>0；当n>n1时，双馈电机处于超同步速运行，f20(负相序)；当n=n1时，f2=0，变流器向转子提供直流励磁，此时双馈电机作为同步电机运行。
根据双馈电机的控制特性可知，其励磁控制系统必须能单独调节励磁电压和频率。