1引言
斩波式转子调速系统主要由变频调速装置、内反馈电动机或高压绕线式电动机等两大部分组成。系统具有控制电压低，控制功率小，智能驱动，安全可靠，操作方便，谐波小，效率高，调速平滑，性价比高等特点。可应用于各种风机、水泵的调速，平均节电率高。斩波式转子变频调速技术在国内已经日益成熟，市场份额逐年上升，其厂家所使用的控制器大致可以分为二类：一类是以单片机芯片为基础集成控制与显示为一体的控制器，该控制器在成本及控制速度方面有一定优势，但也存在显示不直观界面小、电磁抗干扰性差、现场调试逻辑修改专业性强等缺点。另一类是以西门子S7-200可编程控制器+HMI（人机界面）组建的控制系统，该系统借助S7-200系列PLC的极高的可靠性、极丰富的指令集、易于掌握、丰富的内置集成功能、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等出色表现成为众多厂家的首选，其可靠性、二次开发性等具有很强的优势［1］。
2主回路和工作原理
（1）主回路的组成
IGBT斩波式转子调速(俗称转子变频)系统主电路图如图1所示。
图1 IGBT斩波式转子调速系统主电路
通过分析主回路可知，系统回路大致由5个部分组成：主回路逻辑控制接触器、万洲电气WYQ系列液体电阻起动器、整流模块、IGBT升压斩波电路、有源逆变模块、保护部分等。
（2）工作原理及本文需要解决的问题
现代转子调速原理是将逆变角固定为最小值βmin，通过IGBT高频斩波来调节附加电势。设斩波占空比为α，则附加电势为（1－α）Uβmin。所以，改变斩波占空比α就可以改变附加电势，从而达到调速的目的。
S7-200有两路PWM发生器，建立脉宽调节信号信号波形。一路发生器指定给数字输出点Q0.0，另一路发生器指定给数字输出点Q0.1。一个指定的特殊内存（SM）位置为每路发生器存储以下数据：一个控制字节（8位值）、一个脉冲计数值（一个不带符号的32位值）和一个周期和脉宽值（一个不带符号的16位值）。其输出PWM波形周期范围为10us--65535ms，占空比可调范围0%-100%，其波形标准，抗干扰能力强等特点完全满足工程电力IGBT升压斩波电路。故使用S7-200解决IGBT占空比是本文解决的问题之一。
在国内众多转子变频生产厂家中通常由特定分频芯片通过采集同步信号处理后将逆变角β固定在25°<βmin<35°，故在PLC程序中未设计到逆变角问题（但包含逆变故障保护功能）。
另外，系统逻辑控制也是本文需要解决的一个问题之一，如逻辑部分出现错误可能导致整个系统及电机产生毁灭性的灾害。鉴于S7-200系列PLC具有极丰富的指令集、强劲的通讯能力、丰富的扩展模块等出色表现对于解决本系统逻辑控制已经绰绰有余。
除上述问题外，模拟量处理、系统状态指示、系统故障判断及保护等同样需要S7-200系列PLC来完成［2］。
3基于S7-200的IGBT斩波式转子调速系统编程
3.1IGBT占空比α编程
在现代转子调速系统中IGBT控制方式为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,缩写为PWM）或脉冲调宽型。保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton即为PWM。
使用S7-200系列PLC实现对IGBT占空比α的控制有二种方法：一种是通过PLC编程得到所需要PWM标准波形，然后通过外围电路进行隔离放大成周期不变，开关导通时间ton时段电压为+15V,关断时段toff电压为-15V的矩形波，如图2所示。
图2 IGBT模块驱动波形
斩波式转子调速系统使用S7-200系列PLC内部产生PWM波形程序如图3所示。
图3 主程序中调用PWMO-RUN子程序
图3 主程序中调用PWMO-RUN子程序
S7-200系列PLC内PLS(PWM/PTO输出)指令是靠读取指定SM内存位置的数据，并以此为PWM/PTO发生器编程。PWM/PTO位控制所对应功能如表1所示。
表1 PWM/PTO位控制所对应功能
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Q0.0
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Q0.1
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位功能
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=0
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=1
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SM67.0
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SM77.0
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PTO/PWM更新周期值
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无更新
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更新周期
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SM67.1
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SM77.1
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PWM更新脉宽时间值
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无更新
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更新脉宽
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SM67.2
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SM77.2
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PTO更新脉冲计值
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无更新
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更新脉冲计数
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SM67.3
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SM77.3
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PTO/PWM选择
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1us/tick
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1ms/tick
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SM67.4
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SM77.4
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PWM更新方法
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异步更新
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同步更新
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SM67.5
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SM77.5
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PTO操作
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单段操作
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多段操作
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SM67.6
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SM77.6
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PTO/PWM模式选择
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选择PTO
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选择PWM
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SM67.7
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SM77.7
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PTO/PWM启用
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禁用PTO/PWM
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启用PTO/PWM
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16#D3为16进制表示方法，在S7-200系列PLC内以BCD码形式存储，对应为1101 0011，对照表1可知当RUN条件满足时斩波式转子调速系统输出的PWM形式是同步更新/时间单位为us/输出端口为Q0.0可调PWM波形。当RUN条件消失时16#43（01000011）传送给SMB67，当SM67.7位为0时禁止输出PTO/PWM，即PLC内部PWM发生器停止工作。
另一种实现IGBT占空比α的控制方法是通过PLC编程使占空比0%--100%对应模拟量4--20mA输出，外围电路将4--20mA信号先转换成0-5V电压信号，然后通过TL494芯片为核心的电路，如图4产生如图2的波形。其中芯片第13脚为0--5V电压输入端口，9/10为对应图2波输出端口。
图4 TL494控制器的内部结构图
使用S7-200系列PLC产生4--20mA信号大致流程为：触摸屏给定占空比0%--100%（触摸屏内部功能将0%-100%对应转换为0--640）写入PLC指定寄存器，在系统运行过程中不同状态下的占空比会有不同的调整方式，即PLC对占空比的数据有选择性的处理并将数据转换为0--32000后转存在另外一个寄存器里面，然后调用6400-32000模拟量转换子程序将占空比对应成PLC内部4--20mA信号输出数字量，最后通过指令 MOVW, VW__, AQW0输出4--20mA信号。模拟量转换程序应该遵循公式（1）：
3.2主回路逻辑控制编程
斩波式转子调速系统运行过程可归纳为高压柜合闸→起动→全速→调速→手动退出（或故障退出）调速→（全速）→停机（高压柜分闸） ，系统逻辑关系非常重要，必须按照指定的顺序进行，并且需要有相应的保护功能控制逻辑动作，如出现逻辑关系错误，很可能损坏设备或电力器件。
如图1所示的主回路，下面将分为四个状态进行逻辑分析。
（1）系统备妥状态
在备妥状态下设备需要满足的条件为KM4吸合（液体电阻起动器接入未启动），WYQ系列液体电阻起动器备妥信号输出，KM1吸合，KM2断开，KM3断开，装置无故障。备妥状态后输出备妥信号串接到开关柜合闸回路，允许断路器QF合闸，同时备妥指示灯亮。
（2）系统起动状态
系统备妥后发出起动命令，高压柜QF合闸，合闸信号反馈给WYQ液体电阻起动器做为其动作唯一条件，此后液体电阻起动器开始工作，实现平稳的串水阻无级起动。调速系统同样判断OF合闸开入量信号以及定子一次电流模拟信号作为起动正常条件。
在系统起动过程中，KM4保持吸合，KM1保持吸合，WYQ水阻动极板向下运动，启动指示灯亮。此过程中如果水阻出现故障，系统将输出跳闸QF命令。
（3）系统全速状态
水阻起动结束由二个条件进行判断：达到设定起动时间或者定子电流在额定电流以下。当起动结束条件满足时系统进入全速状态，KM2吸合，KM4延时1s后断开，KM1继续保持吸合，全速指示灯亮。
除从起动状态转到全速外，在系统处于调速状态过程中如果设备出现故障也会转换到全速（或者停机），逻辑动作顺序为KM1吸合，KM3断开，KM4吸合，KM2断开，系统先进入起动状态（即为故障调速转全速串水阻）。
（4）系统调速状态
全速状态下如果设备无故障以及电机满足调速条件时系统可以进入调速状态，在调速状态下逻辑动作顺序为KM3吸合，KM1延时0.2s断开，KM2保持吸合，调速指示灯亮［3［4］。
4结束语
绕线式异步电动机的串级调速技术作为一种高效节能的调速方式，在国内应用的历史已有近二十年了。传统的串级调速是将电机转差功率经三相桥式不可控整流器整流，平波电抗器滤波，从三相桥式半控逆变器逆变，再经过逆变变压器返回电网。托管改变晶闸管的移相角来改变附加直流电动势的大小调节电机转速。传统串级调速由于是通过改变逆变角来控制调速的，所以存在功率因素低，谐波含量大，逆变变压器需要容量大，容易产生逆变颠覆及逆变失败等问题。而本文介绍的PWM技术可以很好的解决上面的问题，现代斩波调速系统实在传统串级调速基础上在直流回路部分增加一个斩波器（IGBT模块），通过改变斩波器的占空比大小来调节转速，而不是通过改变逆变角来控制调速，因此逆变器触发角固定为允许的最小逆变角不变。通过对逆变角的固定，无论速度高低，晶闸管逆变角的移相角都固定在最小逆变角25°到30°之间，于是电容电压Uc为固定值，在调速范围内即使逆变器的容量和电机负载绕组容量都按照最大输出功率计算，也只有0.3倍左右的电机额定功率，比传统串级调速小的多，所需要的逆变变压器容量较小，它产生的无功远小于传统串级调速，具有较高的功率因数，可以达到0.8左右。
参考文献（略）
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