西門(mén)子S120變頻器在柴電燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用

李中兵, 陳迪秋

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 艦船自動(dòng)化分所，上海 200135)

圖1 柴電燃模擬推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

0 引 言

在柴電燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，需使用3臺(tái)電機(jī)分別模擬主推進(jìn)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和螺旋槳 (在此稱(chēng)這3臺(tái)電機(jī)為推進(jìn)電機(jī)、燃機(jī)模擬電機(jī)、槳模擬電機(jī))，見(jiàn)圖1。3臺(tái)電機(jī)均采用變頻調(diào)速，其中推進(jìn)電機(jī)和燃機(jī)模擬電機(jī)用來(lái)輸出功率，槳模擬電機(jī)用來(lái)模擬螺旋槳的負(fù)載特性;變頻器采用西門(mén)子公司的S120變頻器。系統(tǒng)一般運(yùn)行時(shí)，使用推進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)槳模擬電機(jī)旋轉(zhuǎn);需要提速或增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，將燃機(jī)模擬電機(jī)起動(dòng)并車(chē)，用以提供額外的功率拖動(dòng)負(fù)載。

1 S120變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

S120變頻器是西門(mén)子新一代的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，集V/F控制、矢量控制和伺服控制于一身，其產(chǎn)品為模塊化結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)實(shí)際需要選擇模塊，組成控制系統(tǒng)。

柴電燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，推進(jìn)電機(jī)的控制方式與燃機(jī)模擬電機(jī)的類(lèi)似，可采用相同的變頻驅(qū)動(dòng)模塊；槳模擬電機(jī)的功率較大，且需要工作在發(fā)電狀態(tài)，變頻器應(yīng)帶有能量回饋功能，故采用不同的變頻驅(qū)動(dòng)模塊。圖2為這兩種變頻驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖。

圖2變頻驅(qū)動(dòng)模塊結(jié)構(gòu)圖

推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器和燃機(jī)模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器的控制模塊均采用西門(mén)子CU310_DP，功率模塊采用集整流和逆變功能于一體的PM340。由于PM340沒(méi)有能量回饋功能，因此還需接入制動(dòng)電阻模塊，以消耗電機(jī)制動(dòng)過(guò)程中發(fā)出的電能。

槳模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器的控制模塊采用西門(mén)子CU320_2_DP;整流/回饋模塊采用西門(mén)子IGBT整流回饋裝置，用于將三相交流電源整流成直流或?qū)⒅绷髂妇€上的電能回饋至電網(wǎng)。為使回饋的電能滿足并網(wǎng)條件，其外部還需接入電抗器和濾波器。逆變模塊采用西門(mén)子SMM逆變模塊，其主要作用是從直流母線得到電源，根據(jù)相應(yīng)控制算法，達(dá)到拖動(dòng)電機(jī)的效果。

2 軟件配置

2.1 調(diào)試軟件

SINAMICS S120的調(diào)試軟件為Starter。Starter具備可視化界面，調(diào)試過(guò)程快速而簡(jiǎn)單；內(nèi)部嵌套了故障分析和圖形化工具，綜合檢測(cè)和診斷功能強(qiáng)大。

2.2 參數(shù)設(shè)置

針對(duì)兩種不同的變頻器結(jié)構(gòu)，在Starter軟件中選擇相應(yīng)的控制模塊類(lèi)型(CU310_DP或CU320_2_DP)和電機(jī)控制方式(矢量控制或伺服控制)，并按電機(jī)銘牌及編碼器上的信息配置變頻器相關(guān)參數(shù)。電機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1。編碼器為增量式雙極性編碼器，脈沖數(shù)為1 024，其型號(hào)為1024 HTL A/B R。

表1 電機(jī)參數(shù)表

在Starter軟件的Expert list中，按以上參數(shù)設(shè)置變頻器、電機(jī)與編碼器的各項(xiàng)參數(shù)(見(jiàn)圖3)。

由于西門(mén)子S120變頻器采用Profibus與外界進(jìn)行通信，而柴電燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的上層管理軟件采用CANopen協(xié)議與下位機(jī)進(jìn)行通信，因此變頻器需通過(guò)轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)接入上層管理軟件，其通信幀格式見(jiàn)表2和表3。

表2 變頻器接收上位機(jī)數(shù)據(jù)格式

圖3 變頻器參數(shù)設(shè)置圖

表3 變頻器發(fā)送給上位機(jī)數(shù)據(jù)格式

2.3 輸入輸出模塊配置

根據(jù)柴電燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的要求，不僅可以通過(guò)上層管理軟件控制變頻器的運(yùn)行狀態(tài)，還可以通過(guò)變頻器驅(qū)動(dòng)箱前面板的按鈕控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，以及通過(guò)觀察各種指示燈了解變頻器的工作狀態(tài)。因此，需要配置變頻器的模擬量輸入/輸出模塊，將變頻器的控制指令、運(yùn)行狀態(tài)分別與前面板的按鈕和指示燈一一對(duì)應(yīng)起來(lái)。其配置見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 模擬量輸入模塊配置

3 電機(jī)運(yùn)行調(diào)試

3.1 電機(jī)靜、動(dòng)態(tài)辨識(shí)及優(yōu)化

配置好變頻器參數(shù)后，為提高電機(jī)的運(yùn)行性能，需對(duì)電機(jī)的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)和優(yōu)化，該過(guò)程可在Starter軟件中的Control panel和Stationary/turning measurement中完成。靜態(tài)辨識(shí)主要是測(cè)量電機(jī)的內(nèi)部電阻、電感以及電磁損耗等參數(shù)；動(dòng)態(tài)優(yōu)化則主要是計(jì)算電機(jī)模型并對(duì)速度調(diào)節(jié)器進(jìn)行優(yōu)化。

圖5 模擬量輸出模塊配置

完成電機(jī)的辨識(shí)及優(yōu)化后，便可進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制或轉(zhuǎn)矩控制實(shí)驗(yàn)，在Starter軟件的Device trace中可觀察推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。

3.2 轉(zhuǎn)速控制

現(xiàn)將推進(jìn)電機(jī)與槳模擬電機(jī)之間的離合器合上，槳模擬電機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩控制，設(shè)定轉(zhuǎn)矩為15 N·m;推進(jìn)電機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，在0～60 s給定轉(zhuǎn)速為100 r/min,60～120 s給定轉(zhuǎn)速為500 r/min，120～180 s給定轉(zhuǎn)速為300 r/min。圖6和圖7分別為轉(zhuǎn)速控制時(shí)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。

圖6 轉(zhuǎn)速控制時(shí)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

圖7 轉(zhuǎn)速控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從圖6、圖7中可以看出，推進(jìn)電機(jī)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩做功，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定值改變時(shí)，實(shí)際轉(zhuǎn)速在3 s之內(nèi)便能穩(wěn)定下來(lái)，穩(wěn)定后誤差不超過(guò)±1%；而在轉(zhuǎn)速突變時(shí),實(shí)際轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)較大。這是由于在轉(zhuǎn)速控制時(shí)，變頻器為了使轉(zhuǎn)速迅速跟蹤給定值，在短時(shí)間內(nèi)突然加減功率，造成轉(zhuǎn)矩初始波動(dòng)較大。

3.3 轉(zhuǎn)矩控制

現(xiàn)將燃機(jī)模擬電機(jī)與槳模擬電機(jī)的離合器合上，對(duì)推進(jìn)電機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制。

3.3.1 恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)速控制

給定推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定為32 N·m，調(diào)節(jié)槳模擬電機(jī)的負(fù)載與燃機(jī)模擬電機(jī)做功的大小，使推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在0～150 s為200 r/min，150～325 s為450 r/min,325～480 s為300 r/min。圖8為恒轉(zhuǎn)矩、變轉(zhuǎn)速控制時(shí)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。

圖8 恒轉(zhuǎn)矩，變轉(zhuǎn)速控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從圖8中可以看出，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)矩的誤差隨之改變。轉(zhuǎn)速在200 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩誤差約為±4%；轉(zhuǎn)速在450 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩誤差約為±7%；轉(zhuǎn)速在300 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩誤差約為±5.5%。

3.3.2 恒轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)矩控制

在0～60 s，給定推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩命令為30 N·m;60～120 s為40 N·m;120～180 s為35 N·m;同時(shí)調(diào)節(jié)槳模擬電機(jī)與燃機(jī)模擬電機(jī)的負(fù)載及做功大小，使推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定在250 r/min。圖9為恒轉(zhuǎn)速、變轉(zhuǎn)矩控制時(shí)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。

圖9 恒轉(zhuǎn)速，變轉(zhuǎn)矩控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從圖9中可以看出，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定在250 r/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)矩命令的變化，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的誤差一直維持在±4%左右。

從3.3.1和3.3.2的試驗(yàn)結(jié)果可知，在柴電燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)誤差隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，而轉(zhuǎn)矩的大小對(duì)轉(zhuǎn)矩誤差沒(méi)有直接影響。

3.3.3 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制

在3.3.1和3.3.2的試驗(yàn)中，對(duì)轉(zhuǎn)矩采用的是開(kāi)環(huán)控制?？紤]到轉(zhuǎn)速較大時(shí)轉(zhuǎn)矩的抖動(dòng)誤差較大，現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩采用閉環(huán)控制，即將推進(jìn)電機(jī)的扭矩儀輸出電壓值接入變頻器的模擬量輸入模塊，作為閉環(huán)控制的轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)。

給定推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定為32 N·m，調(diào)節(jié)槳模擬電機(jī)的負(fù)載與燃機(jī)模擬電機(jī)做功的大小，使推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速在0～150 s為200 r/min，150～325 s為450 r/min,325～480 s為300 r/min。圖10為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制時(shí)推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線。

圖10 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)曲線

從圖10中可以看出，轉(zhuǎn)速在450 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)誤差約為±7%;轉(zhuǎn)速在200 r/min與300 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)誤差也與開(kāi)環(huán)控制時(shí)類(lèi)似?？梢?jiàn),閉環(huán)控制并沒(méi)有使轉(zhuǎn)矩的抖動(dòng)誤差得到改善。由此推斷，轉(zhuǎn)矩的抖動(dòng)誤差是由變頻器自身的控制精度決定的，且無(wú)論是開(kāi)環(huán)控制還是閉環(huán)控制，變頻器在對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)誤差也會(huì)增大。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)配置S120變頻器的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)變頻驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件參數(shù),實(shí)現(xiàn)柴電燃模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中變頻器對(duì)三臺(tái)電機(jī)的軟件配置。通過(guò)對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制與轉(zhuǎn)矩控制試驗(yàn)以及分析試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1. 變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的精度很高，誤差在±1%以內(nèi)。

2. 變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，轉(zhuǎn)矩抖動(dòng)誤差也增大。在變頻器的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)矩控制的具體精度要求選擇相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。

參考文獻(xiàn)：

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