作 者：華北電力大學 控制與計算機工程學院 / 姜棟棟

1  引言

在工業(yè)控制領域中，單片機作為控制器件,，其顯著特點是高性能,、高速度、低功耗,、價格低,，編程簡單，但是其可靠性和搞干擾性比較弱,，特別是在強電和惡劣的運行環(huán)境下,，要保證可靠性和安全性，需要采取極為完善的搞干擾措施,，這些都給工程的設計的難度和費用帶來的負擔,。近年隨著工業(yè)自動化控制的高要求以微電子、計算機,、通信技術的發(fā)展示,，可程編程邏輯控制器（plc）是作為一種專為工業(yè)環(huán)境下使用的數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)應運而生它是以嵌入式cpu為核心，加上其它所需的輸入,、輸出擴展模塊和通訊模塊可取代傳統(tǒng)氣動或電氣控制完成開關量的模擬量的順序控制,，按照邏輯條件進預先設計好的順序動作,，并按照邏輯關系進行故障保護動作的控制。將plc技術運用于現(xiàn)代串級調(diào)速技術,，可明顯改善調(diào)速的性能和減小全速和調(diào)速時故障的發(fā)生率,。

2  現(xiàn)代串級調(diào)速的概述

現(xiàn)代串級調(diào)速技術是引入整流環(huán)節(jié)、斬波環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié),，通過調(diào)節(jié)斬波環(huán)節(jié)的占空比來改變逆變器兩端電勢的大小,，因為此電勢與轉(zhuǎn)子側(cè)電勢串聯(lián)并且電勢 與轉(zhuǎn)子側(cè)的電勢相反，所以改變了轉(zhuǎn)子側(cè)總電勢的大小,，進而改變了轉(zhuǎn)子側(cè)電流,，最終改變了電機的轉(zhuǎn)速。現(xiàn)代串級調(diào)速技術主要分為外反饋式和內(nèi)反饋式,，外所饋式主要工作原理是使用逆變變壓器將轉(zhuǎn)差功率吸收并回饋至電網(wǎng),，其原理如圖1所示。


圖1  外反饋式串級調(diào)速

內(nèi)反饋式串級調(diào)速技術是在電動機定子繞組嵌槽中同槽嵌放一個反饋繞組,，則定子鐵芯中的反饋繞組和定子繞組構成并代替了逆變變壓器,，將轉(zhuǎn)差功率通過反饋繞組及定子繞組吸收并回饋至電網(wǎng)，其原理如圖2所示,。


  圖2  內(nèi)反饋式串級調(diào)速

3plc在內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)中的應用

3.1 plc的選擇

因plc具有編程簡單,、功能強、性價比高,、硬件配套齊全,，易用性強、可靠性高,、搞干擾能力強和系統(tǒng)設計安裝和調(diào)試工作量小的優(yōu)點,，所以將其應用于現(xiàn)代串級調(diào)速系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢。由于串級控制系統(tǒng)的檢測點以及控制量較多,，是一個大規(guī)模的測控系統(tǒng),，因此此次選用西門子公司s7-200系列的cpu224作為系統(tǒng)的控制器。該plc具有14輸入/10輸出共24個數(shù)字量i/o點,、可連接7個擴展模塊,、最大可擴展168路數(shù)字量i/o點以及兼容ppi，m pi和自由方式的通訊協(xié)議等優(yōu)點,，因此它是一個具有較強控制能力的控制器,。

  另外選用西門子公司的s7-200系列的cpu224ac/dc/繼電器型plc，而沒有選擇晶體管輸出,，是因為繼電器輸出型有以下優(yōu)點：

(1) 繼電器輸出型是隔離輸出,，即觸點跟線圈不共地，只要外加線路電路不超過plc繼電器的額定電流就可以了,；晶體管輸出就有點麻煩,，除了要考慮電流問題外,，還要考慮電壓是直流的，地要接對,，要考慮是npn還是pnp輸出等問題,。

(2) 繼電器輸出型是令cpu驅(qū)動繼電器線圈，令觸點吸合,，使外部電源通過閉合的觸點驅(qū)動外部負載,，可帶較大的外部負載；而晶體管輸出型是令cpu通過光耦合使晶體管通斷,，以控制外部直流負載,，可帶外部負載小，有時候要加其他東西來帶動大負載（如繼電器,，固態(tài)繼電器等）,。

3.2 基于plc的內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)

基于plc內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)原理如圖3所示，此次設計的調(diào)速系統(tǒng)主要是采用plc控制去控制系統(tǒng)中的開關1km,、2km,、3km、4km和接入的水阻,，在調(diào)速系統(tǒng)處于不同功能狀態(tài)和用戶要求時采取相應的動作,，當啟動電機時先讓plc控制水阻電機讓其緩慢增大到最大水阻值，然后合1km使電機啟動,，再讓plc控制水阻電機使水阻緩慢減小到最小值,，系統(tǒng)這樣串入水阻是因為可以減小電機的大啟動電流對系統(tǒng)的沖擊,，當水阻值達到最小時合1km將水阻短路進而使完成電機的啟動階段,，當調(diào)速時再合4km和3km進入調(diào)速狀態(tài)。

 
圖3  基于plc的內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖

4  串級調(diào)速系統(tǒng)在全速狀態(tài)下的故障處理

4.1 全速正常轉(zhuǎn)停車過程中故障處理邏輯控制程序

串級調(diào)速控制系統(tǒng)的正常停車為就地或遠方停車按鈕或停車命令,，或為故障時系統(tǒng)停車指令,。在全速狀態(tài)下，高壓開關qf保持閉合狀態(tài),，接觸器2km處于斷開狀態(tài),，而接觸器1km、3km,、4km處于閉合狀態(tài),，斬波器igbt的導通時間是整個周期，水阻的極板在最小位上,。當按下就地設備上的停車按鈕或從遠方觸摸屏發(fā)出停車命令時,，控制器plc發(fā)出高壓開關qf斷開命令， 然后再檢測qf的輔助觸點是否是真的斷開,。如果經(jīng)過一定的時間,，這個qf斷開信號沒有返回到plc的輸入端,，則plc認為高壓開關發(fā)生故障，發(fā)出報警信號,，提醒工作人員現(xiàn)在設備發(fā)生故障需要檢查設備,，直至此故障被徹底的解決掉；如果qf的輔助觸點斷開,，則這個斷開信號將返回到plc的輸入電路,。plc會認為有全速轉(zhuǎn)向停車的過程已經(jīng)結(jié)束，發(fā)送命令使得停車狀態(tài)指示燈亮起來,。該故障處理流程如圖4所示,。


  圖4  全速正常轉(zhuǎn)停車過程中故障處理流程

如圖5中信號1為電容電壓，信號2為4km返回,。在進行保護時,，4km分快于2km合。從圖中可以看出,，當某一時刻qf跳閘時,，電容電壓十分迅速的從70v降至0v。而接觸器4km在qf跳閘后經(jīng)過55ms左右后由閉合狀態(tài)轉(zhuǎn)換到斷開狀態(tài),。

 
  圖5  qf跳閘故障波形圖

4.2  全速態(tài)下緊急停車過程中故障處理邏輯控制程序

串級調(diào)速控制系統(tǒng)在全速狀態(tài)下在某些特殊的情況下需要緊急停車,。如圖6 所示，在這種情況下,，plc發(fā)出斷開高壓開關qf的命令,。如果在一定時間內(nèi)qf狀態(tài)的返回信號沒有送到plc的輸入端，則plc會發(fā)出使得接觸器4km斷開的命令,；如果這個qf斷開信號送到了plc的輸入端,，這個系統(tǒng)在全速狀態(tài)下緊急停車過程結(jié)束，發(fā)送命令使得停車狀態(tài)指示燈亮起來,。


圖6  全速下緊急停車過程故障處理流程

而plc發(fā)出斷開接觸器4km的信號,，可以從圖3的基于plc的內(nèi)所饋串級調(diào)速系統(tǒng)原理圖中得知，這相當于是把整流,、斬波和逆變這三部分從系統(tǒng)中切除,。讓系統(tǒng)在全速、轉(zhuǎn)子繞組開路或者轉(zhuǎn)子繞組串水阻的方式運行,。如果經(jīng)過一定時間接觸器4km的斷開信號沒有返回到plc的輸入端,，則plc會認為接觸器4km也發(fā)生故障不能正常操作，在發(fā)報警信號的同時,，閉鎖系統(tǒng)進入調(diào)速狀態(tài)的權限,。

當接觸器4km的斷開信號送到plc的輸入端后，plc發(fā)斷開接觸器1km的命令，既然高壓開關都不能斷開,，但要想使電機停下來,，也只有讓電機處在轉(zhuǎn)子繞組開路的狀態(tài)。當接觸器1km在一段時間內(nèi)沒有把斷開信號返回到plc的輸入端,，系統(tǒng)也只能保持全速的工作狀態(tài),，發(fā)出報警信號的同時，閉鎖系統(tǒng)進入調(diào)速狀態(tài)的權限,。如果這個斷開信號送到了plc的輸入端,，則電機按最壞的處境，保持在轉(zhuǎn)子開路的狀態(tài)下,，當然這種情況下,，電機是無奈的停止轉(zhuǎn)動。plc在發(fā)出報警信號的同時,，閉鎖系統(tǒng)進入啟動和調(diào)速狀態(tài)的權限,。

如圖7所示 為逆變停止后停車的電壓波形圖。圖中信號1為電容電壓,，信號2為4km返回,。正常全速或故障轉(zhuǎn)全速時，電容儲能不為零,，額定電壓約70v,，全速時電容電壓約40v。


圖7  全速停車過程波形圖

5  結(jié)束語

本文充分考慮了內(nèi)反饋串級調(diào)速系統(tǒng)的原理,，采用西門子公司的plc組成串調(diào)的控制系統(tǒng),，充分利用了plc控制系統(tǒng)的全數(shù)字化，簡單可靠,，體積小,，控制更加準確，搞干擾能力強等優(yōu)點,，并且通過流程圖全面分析了電機在全速狀態(tài)下可能出現(xiàn)的幾種故障,，通過仿真波形可以看出在plc控制系統(tǒng)中，當全速狀態(tài)下某種異常情況發(fā)生時,，控制系統(tǒng)都能夠及時準確的采取相關的保護措施,，由于全速狀態(tài)是電機工作的一個重要狀態(tài)，如果全速狀態(tài)下的故障發(fā)生率能夠得到有效的控制,，那么對于維護整個調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性將是至關重要的。
作者簡介

姜棟棟(1986-)  男  碩士研究生,，研究方向為電力電子技術和電氣拖動及自動化,。

參考文獻(略)