作 者：華北電力大學(xué) 控制與計算機(jī)工程學(xué)院 / 姜棟棟

1  引言

在工業(yè)控制領(lǐng)域中，單片機(jī)作為控制器件，其顯著特點(diǎn)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(qiáng)電和惡劣的運(yùn)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(shè)計的難度和費(fèi)用帶來的負(fù)擔(dān)。近年隨著工業(yè)自動化控制的高要求以微電子、計算機(jī)、通信技術(shù)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(yùn)算操作的電子系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生它是以嵌入式cpu為核心，加上其它所需的輸入、輸出擴(kuò)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(guān)量的模擬量的順序控制，按照邏輯條件進(jìn)預(yù)先設(shè)計好的順序動作，并按照邏輯關(guān)系進(jìn)行故障保護(hù)動作的控制。將plc技術(shù)運(yùn)用于現(xiàn)代串級調(diào)速技術(shù)，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(shù)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?yàn)榇穗妱菖c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(jìn)而改變了轉(zhuǎn)子側(cè)電流，最終改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代串級調(diào)速技術(shù)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(shù)是在電動機(jī)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(gòu)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(yīng)用

3.1 plc的選擇

因plc具有編程簡單、功能強(qiáng)、性價比高、硬件配套齊全，易用性強(qiáng)、可靠性高、搞干擾能力強(qiáng)和系統(tǒng)設(shè)計安裝和調(diào)試工作量小的優(yōu)點(diǎn)，所以將其應(yīng)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(diǎn)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(diǎn)、可連接7個擴(kuò)展模塊、最大可擴(kuò)展168路數(shù)字量i/o點(diǎn)以及兼容ppi，m pi和自由方式的通訊協(xié)議等優(yōu)點(diǎn)，因此它是一個具有較強(qiáng)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?yàn)槔^電器輸出型有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 繼電器輸出型是隔離輸出，即觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)吸合，使外部電源通過閉合的觸點(diǎn)驅(qū)動外部負(fù)載，可帶較大的外部負(fù)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(fù)載，可帶外部負(fù)載小，有時候要加其他東西來帶動大負(fù)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(shè)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(guān)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(yīng)的動作，當(dāng)啟動電機(jī)時先讓plc控制水阻電機(jī)讓其緩慢增大到最大水阻值，然后合1km使電機(jī)啟動，再讓plc控制水阻電機(jī)使水阻緩慢減小到最小值，系統(tǒng)這樣串入水阻是因?yàn)榭梢詼p小電機(jī)的大啟動電流對系統(tǒng)的沖擊，當(dāng)水阻值達(dá)到最小時合1km將水阻短路進(jìn)而使完成電機(jī)的啟動階段，當(dāng)調(diào)速時再合4km和3km進(jìn)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(yuǎn)方停車按鈕或停車命令，或?yàn)楣收蠒r系統(tǒng)停車指令。在全速狀態(tài)下，高壓開關(guān)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(dǎo)通時間是整個周期，水阻的極板在最小位上。當(dāng)按下就地設(shè)備上的停車按鈕或從遠(yuǎn)方觸摸屏發(fā)出停車命令時，控制器plc發(fā)出高壓開關(guān)qf斷開命令， 然后再檢測qf的輔助觸點(diǎn)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(rèn)為高壓開關(guān)發(fā)生故障，發(fā)出報警信號，提醒工作人員現(xiàn)在設(shè)備發(fā)生故障需要檢查設(shè)備，直至此故障被徹底的解決掉；如果qf的輔助觸點(diǎn)斷開，則這個斷開信號將返回到plc的輸入電路。plc會認(rèn)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(jìn)行保護(hù)時，4km分快于2km合。從圖中可以看出，當(dāng)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(guān)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(dāng)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(yùn)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(rèn)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(jìn)入調(diào)速狀態(tài)的權(quán)限。

當(dāng)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(guān)都不能斷開，但要想使電機(jī)停下來，也只有讓電機(jī)處在轉(zhuǎn)子繞組開路的狀態(tài)。當(dāng)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(jìn)入調(diào)速狀態(tài)的權(quán)限。如果這個斷開信號送到了plc的輸入端，則電機(jī)按最壞的處境，保持在轉(zhuǎn)子開路的狀態(tài)下，當(dāng)然這種情況下，電機(jī)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(jìn)入啟動和調(diào)速狀態(tài)的權(quán)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(zhǔn)確，搞干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且通過流程圖全面分析了電機(jī)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(dāng)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(zhǔn)確的采取相關(guān)的保護(hù)措施，由于全速狀態(tài)是電機(jī)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(hù)整個調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性將是至關(guān)重要的。
作者簡介

姜棟棟(1986-)  男  碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)和電氣拖動及自動化。

參考文獻(xiàn)(略)