双馈电机控制理论与节能技术革新

1、双馈电机的控制理论与能效技术革新

1.1 双馈电机的独特优势

双馈电机不仅属于异步电机一族，还被誉为交流励磁电机（ACEM）或异步同步电机，因为它具备独立的励磁绕组。这使得它在运行中，可以通过调整励磁来像同步电机一样调节功率因数。同步电机虽然采用直流励磁，但只能调节电流幅值，通常只能调节无功功率。皖南电机价格表相比之下，双馈电机能调节的参数包括励磁电流幅值、励磁频率和相位，从而通过改变励磁频率来调整电机转速。在负荷突变时，通过控制励磁频率调整转速，充分利用转子动能，实现负荷的吸收或释放。与同步电机相比，双馈电机同样可通过调节转子励磁电流幅值来调整功率因数，实现无功和有功功率的调节，这主要得益于其可调节的交流励磁电源。

1.2 恒定视在功率的节能策略

电机功率可分为无功功率、有功功率和视在功率。恒定视在功率技术的核心是在有功功率变化时，通过调节电机功率因数，将视在功率稳定在某一固定值。这种技术的优势在于，电机轻载时可以将多余容量作为无功功率反馈电网，重载时则调整功率因数至接近单位功率，不吸收电网无功功率。风机、水泵等设备采用恒定视在功率，主要基于以下原因：

（1）空调、风机和水泵是我国电厂和钢铁厂用电量*高的设备，实施节能措施十分必要，节能效果显著。国家虽对生产技术装备有规定，但对生产过程中的资源浪费关注不足，因此风机和泵的节能措施至关重要。

（2）我国恒定视在功率使用效率较低，主要原因是设计上普遍存在“小马拉大车”的现象。设计院为减少责任，采用保守、落后的方案，参数超出实际需求，导致产品余量大、效率低。安徽皖南电机而恒定视在功率恰好弥补了这一缺陷，并为工厂提供无功功率。

2、PLC与变频器在技术应用中的优势

在双馈电机节能控制系统中，选择合适的控制器和转子励磁电源至关重要，因为它们直接影响系统的可靠性、稳定性和节能性。PLC和通用变频器因其独特优势，非常适合用于双馈电机控制系统。

2.1 PLC选型

PLC型号选择需分析输入/输出端口和通信端口需求，并根据双馈电机节能控制系统需求，对输入/输出信号进行总结和分类，分配I/O地址，确保信号与PLC继电器准确对应，*终确认PLC型号。

西门子S7 200是一款小型PLC，具备以下特点：

（1）功能强大。CPU模块有5种，可扩展至7种，支持248点数字量I/O，数据存储空间达30多KB，集成了高速计数器、脉冲发生器和脉冲宽度调制器，大幅提高工作效率。

（2）先进的程序结构。S7 200程序结构简单，主程序、子程序和中断程序分开保存，子程序可提供软件接口，有利于结构化编程。

（3）灵活方便的寻址。S7 200支持位、字节、字和双字寻址，如位存储器、变量存储器、输入输出结构等。

（4）编程软件功能强大、易用。STEP7 Micro/WIN V4.0支持梯形图、语句表和功能块图编程语言，S7 200指令功能性强，便于掌握。

（5）强大的通信功能。皖南电机S7 200编程或通信的CPU模块采用RS 485接口，具有一个或两个。

2.2 变频器选型

推荐西门子MicroMaster 440/420变频器，作为三相交流调速电动机系列的经典产品，MicroMaster 440/420由微处理器控制，空滤输出依靠双极型绝缘栅晶体管，运行能力强，可靠性高。内部模块结构灵活，电动机保护功能完善，内置RS485/232C接口和PI闭环控制器，满足用户自定义I/O端子需求，利用磁通电流动态控制变频特性，低频期间也能完成力矩输出，无跳闸运行高速电流限制。

3、基于PLC和变频器的双馈电机节能控制系统设计

通过双馈电机系统结构图（见图1），我们可以看到控制器系统以PLC为核心，控制变频器和切换电路，进行电路检测。触控屏幕提供直观的人机交互界面，方便调整系统参数和电机状态。电路检测功能可控制额定电压和功率，掌握电机转速，并将电压数据传递给PLC进行分析和控制。起动器控制电机软启动，切换控制电路模式，只有在双馈模式下才视为成功启动。节能算法和控制模式被编入PLC，通过参数调节控制电机整体状态，实现节能控制。

3.1 主电路与控制电路设计

主电路构成参照双馈电机和直流发电机回路，定子绕组连接50Hz电网，经转子绕组对变频器供电，电流由转子绕组输入相位和频率，实现双馈电机功率和转速控制。节能控制系统以PLC为控制器，接收和检验电路信号，分析电机电压参数，执行内部算法，控制接触器线圈和变频器功率输出，全面展示双馈电机运行情况。

3.2 双馈电机瞬态参数检测电路设计

转速检测由脉冲隔离和旋转编码器组成，编码器收集转速参数，转换为脉冲信号，由脉冲隔离电路分析处理，成为PLC可识别的脉冲信号。PLC优化反馈信息后，再次转换为脉冲信号，为电机设置合理转速。功率因数监测需实时进行，通过电流电压判断线路超前或落后功率因数。功率因数为非线性函数，无法通过线路模拟搭接，需设计微处理器进行监测。

3.3 变频器容量释放电路设计

变频器容量释放旨在维持安全运行，设计原则为不改变容量，增强电流输出，满足双馈电机系统控制要求。容量释放设计可使用降压方法，将转子连接到电机电压器副边、变压器原边，使双馈电机在1350rpm范围内重载运行。当电机功率因数为1时，变压器副边需接通13V以上电压和9A以上电流，得出变频器输出功率为39V电压和3A电流。完成转子连接后，将电压电流提升至3倍，实现变频器3倍容量释放。需要注意的是，根据双馈电机转子感应和电压电流特征，变频器电压输出为低频状态，系统需使用专用低频变压器。

4、结语

电机节能技术经过长期发展，已在石油化工、冶金、轻工业等领域取得显著成果。通过系统设计优化、推广变频调速控制设备，适应速度和流量调节需求，有效利用电机系统，为容量配备和整体运行提供保障，深入研究和拓展电机容量，为生产制造提供动力。电机控制系统的稳定运行，依赖于完善的过程控制和能源配置。我国应进一步推广电机节能技术，帮助企业获得更高的利润空间和生产安全保障。