SlNAMlNC S120變頻器控制及常見故障分析

張曉愛

（河鋼唐鋼微爾自動化有限公司，河北 唐山 063000）

SINAMICS S210系列變頻器，主要采用矢量控制，根據(jù)設定值的給定方式不同，矢量控制又可分為轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制，不管哪種控制方式，均能實現(xiàn)較高的穩(wěn)態(tài)精度、較高的動態(tài)響應，具有完美的控制特性。

1 轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速控制的目標量是電機速度，又可分為開環(huán)和閉環(huán)控制。控制環(huán)節(jié)中電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)為外環(huán)，速度環(huán)的輸出作為電流環(huán)的輸入。而在轉(zhuǎn)速環(huán)中有三個核心：轉(zhuǎn)速控制器、前饋控制和軟化功能。簡要控制原理如圖1。

圖1 轉(zhuǎn)速控制

1.1 轉(zhuǎn)速控制器

轉(zhuǎn)速設定值通道r0062與反饋值通道r0063的轉(zhuǎn)速偏差值，直接作用于轉(zhuǎn)速控制器。轉(zhuǎn)速控制器最重要的兩個變量是比例增益Kp和積分時間Tn。

Kp：增大時，響應變快，超調(diào)會減輕，但是轉(zhuǎn)速控制環(huán)中的信號振動也會增大。

Tn：減小時，控制器的相應也會變快，但超調(diào)會增大。

在手動調(diào)節(jié)或優(yōu)化轉(zhuǎn)速控制時，最簡單的方法是：先通過Kp確定動態(tài)響應，這樣就可以盡可能地減少積分時間，再調(diào)整積分時間Tn。為了抑制轉(zhuǎn)速控制器中發(fā)生的振動，在調(diào)整PI參數(shù)的同時通常還需要提高速度控制器的濾波時間，以此來減小轉(zhuǎn)速波動。

通過比例積分調(diào)節(jié)后，最終表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速控制器模擬量互聯(lián)輸出，即比例環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)矩設定值r1481和積分環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)矩設定值r1482。

相關參數(shù)：①變頻器運行方式p1300；②轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速實際值的濾波時間p1442、比例增益p1460、積分時間p1462；③無編碼器的轉(zhuǎn)速控制器轉(zhuǎn)速實際值的濾波時間p1452、比例增益p1470、積分時間p1472等。

1.2 前饋控制

在前饋控制中，轉(zhuǎn)速設定值通過加速度模型計算出一個附加控制量mv，它繞過轉(zhuǎn)速控制器直接作用到轉(zhuǎn)矩控制器上，實現(xiàn)預先控制。

附加的控制量mv計算如下：

式中，p1496是使能前饋控制，也叫加權系數(shù)，數(shù)值在0～100%之間，可根據(jù)應用情況調(diào)節(jié)前饋控制變量的控制效果；J為電機和負載的總轉(zhuǎn)動慣量，它與電機轉(zhuǎn)動慣量存在一定比例關系，比例系數(shù)表現(xiàn)在參數(shù)p0342上；單電機轉(zhuǎn)動慣量為p0341，可通過設定參數(shù)p0340計算得到，而加速度由dn/dt時間段內(nèi)的轉(zhuǎn)速差計算得出。

通過預加轉(zhuǎn)矩設定值對轉(zhuǎn)速控制器進行前饋控制時，轉(zhuǎn)速設定值r0062與轉(zhuǎn)速實際值r0063以相同的濾波時間p1442或p1452延遲，這樣可以確保在控制器輸入上不存在加速度的設定-實際差值r0064，該差值只和信號運行時間有關。

相關參數(shù)：①總轉(zhuǎn)量與電機轉(zhuǎn)動慣量的比例系數(shù)p0342；②單電機轉(zhuǎn)動慣量p0341，可通過設定參數(shù)p0340計算得到；③加速度前饋控制的信號源p1400.2，為0時為內(nèi)部設定，為1時為外部輸入；④使能加速度前饋控制p1496，也叫加權系數(shù)；⑤加速度前饋控制的外部信號輸入源p1495等。

1.3 軟化功能

簡單來說，軟化功能的作用是，隨著轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)速設定值將減小，進行負載補償。因此，當它和轉(zhuǎn)速受控的主驅(qū)動的轉(zhuǎn)矩設定值綜合應用時，合理設置參數(shù)可實現(xiàn)有效的負載分配。

軟化功能可直接軟化轉(zhuǎn)矩設定值，也可軟化轉(zhuǎn)速控制器輸出或者軟化轉(zhuǎn)速控制器的積分輸出，由參數(shù)P1488實現(xiàn)選擇。

該方法只適用于經(jīng)常需要進行急劇加速和制動的驅(qū)動。比如：在兩個或多個電機機械連接或者在同一軸上工作時，可使用軟化。該功能會調(diào)節(jié)單個電機的轉(zhuǎn)速，限制由機械連接產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩差值，并且在轉(zhuǎn)矩過大時減輕驅(qū)動負載。在負載變化大的場合中，也可通過軟化功能確保在負載力矩突變時轉(zhuǎn)速設定值按比例降低。

相關參數(shù)：①使能軟化功能p1492；②軟化功能的輸入源p1488；③軟化功能的比例系數(shù)p1489等。

2 轉(zhuǎn)矩控制

通過參數(shù)p1501可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制之間的轉(zhuǎn)換，參數(shù)為1時為轉(zhuǎn)矩控制，但通過p1300=22或23直接選擇了轉(zhuǎn)矩控制時，不可在轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制間進行切換。簡要控制原理如圖2。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制

轉(zhuǎn)矩控制時變頻器接受轉(zhuǎn)矩給定，最終要達到轉(zhuǎn)矩跟隨設定值的目的。轉(zhuǎn)矩控制方式下只有電流環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)不參與控制，因此速度是不受控制的，它與外部負載有關，在應用中一般在速度環(huán)對速度進行限定，防止超速。在電流環(huán)中，針對不同的運行方式，也需要對轉(zhuǎn)矩進行各種限制。

主從控制時，電機之間既需要有相同或近似的速度，也要保證電機轉(zhuǎn)矩的均勻分配，從站通常采用轉(zhuǎn)矩控制，來保證主從之間有相同的轉(zhuǎn)矩。主從控制常見的有兩種，一是通過P1300直接選擇轉(zhuǎn)矩控制，從站的轉(zhuǎn)矩設定源直接連接主機的轉(zhuǎn)矩實際值，保證彼此間轉(zhuǎn)矩近似或相等；常見的應用是第二種，從站的控制模式在P1300中依然選擇轉(zhuǎn)速控制，通過連接變量實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)換，當變量連接為通訊字時還也實現(xiàn)由上位機切換，轉(zhuǎn)矩設定值及附加設定值連接為主站的轉(zhuǎn)矩輸出。

相關參數(shù)：①設置變頻器運行方式p1300；②轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制之間的轉(zhuǎn)換p1501；③轉(zhuǎn)矩控制的轉(zhuǎn)矩設定值p1503；④轉(zhuǎn)矩控制的附加轉(zhuǎn)矩1的信號源p1511、比例系數(shù)p1512；⑤轉(zhuǎn)矩控制的附加轉(zhuǎn)矩1的信號源p1513、比例系數(shù)p1515；

3 常見故障

3.1 S120變頻器硬件的故障保護

（1）過流保護：功率單元檢測到過電流，當超過第一個設定閾值時，出現(xiàn)過電流報警A30031～A30033，報警相的脈沖封鎖一個周期；當頻繁出現(xiàn)超過第一個閾值的報警時，變頻器會產(chǎn)生過電流故障F30017；當超過第二個設定閾值時，變頻器會產(chǎn)生過電流故障F30001。

（2）電壓保護：比較直流母線電壓和功率單元的斷路閾值，超出或低于設定值則出現(xiàn)過壓故障F30002或欠壓故障F30003。

（3）短路保護：針對裝機裝柜型變頻器，當集電極-發(fā)射極電壓監(jiān)控U_ce出現(xiàn)異常時，可認為發(fā)生短路故障。

（4）斷相保護：當電機或主回路某一相電壓嚴重失真或熔斷器斷路時，出現(xiàn)主電路電源缺相故障F30011。

（5）熱監(jiān)控和過載相應：對功率單元的溫度、熱過載率進行監(jiān)控，當?shù)陀趫缶?5K時發(fā)出報警，報警閾值可通過參p0294設定，還可通過參數(shù)P0290自定義發(fā)出報警后變頻器可采取的響應。相關報警：A05000～A05006，相關故障 ：F30024～F30025，F(xiàn)30034～F30037。

3.2 S120變頻器電機的故障保護

（1）堵轉(zhuǎn)保護：啟用堵轉(zhuǎn)監(jiān)控使能p2144后，當電機實際轉(zhuǎn)速低于設定值時，閉環(huán)調(diào)節(jié)將增大轉(zhuǎn)矩輸出使得速度保持很好的跟隨，但當達到轉(zhuǎn)矩設定值時，實際速度仍低于設定閾值p2175且超出了設置的延時時間p2177，就會出現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn)故障F07900。在V/F控制中，還需要達到電流限幅值。

（2）失步保護：僅對于帶編碼器的轉(zhuǎn)速控制。

在低速區(qū)，檢測出的失步信號值超出了中設定的故障閾值p1745，則電機失速r1408.12置位。

非低速區(qū)，當適配控制輸出超過了用于識別電機失速的轉(zhuǎn)速閾值p1744，則轉(zhuǎn)速自適配-轉(zhuǎn)速差r1408.11置位。

如果兩個信號中的某個信號置位，且經(jīng)過延遲時間p2178后觸發(fā)電機失步故障F7902。

（3）電機溫度檢測保護：本文只針對溫度傳感器為KTY84做簡要介紹。

KTY84溫度傳感器的特性曲線基本成線性變化，測量范圍大約在-140℃到+250℃，超出該范圍時系統(tǒng)將會出現(xiàn)電機溫度傳感器報警A07015，在設定時間內(nèi)檢測溫度未恢復到正常范圍，系統(tǒng)判斷為電機溫度傳感器故障F07016。

電機過溫的閾值可通過參數(shù)設定，當實際檢測的溫度超出此報警閾值p0604后會輸出過溫報警A07910，并開始計時，當超過設定的延遲時間p0606后溫度仍高于報警閾值，或未到達延遲時間p0606時溫度已經(jīng)高于故障閾值p0605，輸出過溫故障F07011。用戶可通過參數(shù)p0601設置溫度傳感器類型，還可通過參數(shù)P0610設置達到電機溫度報警閾值時變頻器的響應。

（4）編碼器故障：F31100～F33999均為編碼器故障，需要檢查編碼器本體、編碼器接線、編碼器模塊等，逐一排除故障原因。

4 結語

SINAMICS S210系列變頻器采用的矢量控制，集成度高，且控制精度好，軟件功能強大，可達到良好的控制性能，在軋鋼領域得到了廣泛的應用。

[1]SINAMICS S120功能手冊.2013.01

[2]SINAMICS S120調(diào)試手冊.2010.05

[3]如何實現(xiàn)S120主從控制方案.2012.12