西門子SINAMICS DCM整流器在機組電源系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉國金 曾小群 王永川

摘要：研究了西門子SINAMICS DCM整流器的特點及功能，分析了機組電源系統(tǒng)改造的原理，完成了改造系統(tǒng)的設(shè)計與選型，結(jié)合經(jīng)驗列出了整流器的調(diào)試過程，改造后的系統(tǒng)具有操作簡單、控制效果好、運行穩(wěn)定等優(yōu)點，測試站的安全生產(chǎn)水平也得到改善。

關(guān)鍵詞：西門子整流器；SINAMICS DCM；機組電源

中圖分類號：TP39 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）25-0242-04

Application of Rectifier Based on Siemens SINAMICS DCM in the Power Supply System

LIU Guo-jin，ZENG Xiao-qun，WANG Yong-chuan

（China Machinery International Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd， Changsha 431003，China）

Abstract：The features and functions of the Siemens SINMICS DCM are presented， and the principle and the design of the power supply system are preliminarily demonstrated. Finally the main process of the debugging on SINMICS DCM is listed according to existing experiences. The rebuilded power supply system provides convenient operation and good stability and condition， which also improves the safety level of the production.

Key words： Rectifier； SINAMICS DCM； Power Supply System

1 引言

國內(nèi)某電機廠的電機測試站，一直采用直流機組電源作為電機出廠試驗電源。該電源系統(tǒng)以繼電邏輯控制為基礎(chǔ)，以可控硅三相全控橋整流為框架，配合分立模擬插件構(gòu)成。系統(tǒng)本身存在控制精度不高、聯(lián)鎖保護功能不全、操作繁瑣等缺陷，且由于運行年限長，電氣元器件老化嚴重，故障率高，維護量大，維護成本也高。此外，系統(tǒng)的電氣參數(shù)未能統(tǒng)一采集，不便于控制室內(nèi)集中監(jiān)控，存在安全生產(chǎn)隱患。文中筆者介紹了西門子SINAMICS DCM整流器（也稱6RA80）在本套機組電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過改造升級，不僅提高了系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性，而且實現(xiàn)了在控制室內(nèi)統(tǒng)一操作和集中監(jiān)控，改善了測試站的安全生產(chǎn)水平。

2 技術(shù)改造方案

2.1 系統(tǒng)選型

技術(shù)改造以機組電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、易維護為設(shè)計原則，并盡量降低改造成本。方案選用西門子SIMATIC S7-300作為中央控制器、西門子6RA80作為驅(qū)動裝置。

SIMATIC S7-300是德國西門子公司開發(fā)的一款通用控制器。該控制器具有模塊化設(shè)計特點，并配置有PROFIBUS DP及工業(yè)以太網(wǎng)通訊接口，是理想的集中式或分布式結(jié)構(gòu)優(yōu)化解決方案[1]。

西門子6RA80繼承了西門子公司產(chǎn)品的一貫特色，具有以下四個特點[2]。

①硬件結(jié)構(gòu)可靠。裝置由高速微處理器及必要的輸入輸出電路構(gòu)成，節(jié)省了大量邏輯控制繼電器，且采用冗余容錯硬件結(jié)構(gòu)方式，驅(qū)動可靠性大大提高。

②調(diào)節(jié)功能強大。通過軟件可實現(xiàn)各種調(diào)節(jié)控制功能。電樞調(diào)節(jié)計算、勵磁調(diào)節(jié)計算、邏輯控制等均由軟件實現(xiàn)，還可實現(xiàn)多種調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇切換。

③人機交互界面友好。6RA80采用簡潔的按鍵和LED顯示屏，實時顯示裝置當(dāng)前狀態(tài)或故障信息。

④通訊高效方便。通過西門子標(biāo)準總線實現(xiàn)裝置與中央控制器的通訊，進而實現(xiàn)與計算機監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，用戶在控制室內(nèi)就可讀寫裝置信息，實現(xiàn)集中操作、集中管理、安全生產(chǎn)。

綜上所述，采用西門子SIMATIC S7-300作為中央控制器、西門子6RA80作為驅(qū)動裝置，是既經(jīng)濟又契合本次改造需求的解決方案。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)備主要包括3臺6RA80整流器、2臺配套整流變壓器、2臺配套電抗器、轉(zhuǎn)速采樣與電壓采樣元件等。配置上，兩臺6RA80（1#6RA80和2#6RA80）電樞輸出端經(jīng)電抗器并聯(lián)后與直流電機電樞繞組相連；1#6RA80的勵磁輸出端直流電機勵磁繞組相連；第三臺6RA80（3#6RA80）電樞輸出直接與三相同步發(fā)電機勵磁繞組相連。同步發(fā)電機定子繞組輸出作為試驗電源的接口。改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1所示。

①聯(lián)軸器②斷路器③整流變壓器④電抗器⑤直流電機⑥同步發(fā)電機⑦電壓采樣⑧6RA80⑨轉(zhuǎn)速采樣⑩勵磁繞組

考慮到工業(yè)現(xiàn)場電磁干擾較大，1#6RA80與2#6RA80之間采用并行通訊，保證通信及時性和穩(wěn)定性；3臺6RA80與PLC之間通訊方式為標(biāo)準PROFIBUS DP。上位機監(jiān)控軟件通過工業(yè)以太網(wǎng)訪問PLC，實時獲取系統(tǒng)電氣參數(shù)，實現(xiàn)集中控制。改造后系統(tǒng)通訊鏈路圖見圖2所示。

2.3 系統(tǒng)原理

（1）直流電動機控制：1#6RA80與2#6RA80并聯(lián)形成12脈沖整流輸出，作為直流機的電樞電源。其中，1#6RA80定義為主機，2#6RA80定義為從機?？刂撇呗陨?，主機采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)模式，即轉(zhuǎn)速為外環(huán)，電流（轉(zhuǎn)矩）為內(nèi)環(huán)，從機則采取電流（轉(zhuǎn)矩）單閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。對于雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)給定即轉(zhuǎn)速給定來源于上位機人工設(shè)置，外環(huán)反饋來源于轉(zhuǎn)速采樣元件（光電編碼器），兩者偏差輸入至外環(huán)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出作為內(nèi)環(huán)給定來源，內(nèi)環(huán)的反饋來源于6RA80內(nèi)部電流互感器，兩者偏差輸入至內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)處理后形成可控硅的觸發(fā)角度，控制器按該角度將觸發(fā)脈沖作用于可控硅。

同時，主機的勵磁輸出作為直流機的勵磁電源。控制策略上，采用電流閉環(huán)控制。閉環(huán)給定來源于主機的反電勢計算輸出，閉環(huán)的反饋值來源于主機內(nèi)部的電流檢測。并且，主機能夠?qū)崟r監(jiān)視實際勵磁電流，若直流電機的實際勵磁電流小于某個安全設(shè)定值，則主機將自動禁止本機與從機的觸發(fā)脈沖，避免“飛車”事故發(fā)生。

（2）三相同步發(fā)電機控制：3#6RA80的電樞6脈沖整流輸出作為發(fā)電機的勵磁電源?？刂撇呗陨?，采用電壓-電流雙閉環(huán)控制，機端電壓為外環(huán)，勵磁電流為內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)給定來源于上位機人工設(shè)置，反饋來源于電壓采樣元件（電壓互感器），兩者偏差輸入外環(huán)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器輸出作為內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器輸入，內(nèi)環(huán)的反饋則來源于6RA80內(nèi)部電流互感器。

機組啟動及運行過程：當(dāng)上位機設(shè)置機組目標(biāo)轉(zhuǎn)速Nset并啟動時，PLC根據(jù)此指令將啟動1#6RA80和2#6RA80，主機先輸出恒定的勵磁電流If1，當(dāng)檢測到實際勵磁電流達到空載勵磁電流值時，主從機同時輸出直流電壓，利用降壓起動方式驅(qū)動直流電機開始旋轉(zhuǎn)，直至實際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至目標(biāo)轉(zhuǎn)速Nset。此時與直流機同軸相連的同步發(fā)電機也以轉(zhuǎn)速Nset旋轉(zhuǎn)。上位機再設(shè)置發(fā)電機機端電壓目標(biāo)值Uset，PLC將啟動3#6RA80運行輸出勵磁電流If2并逐步增大，直至實際定子電壓Uact等于Uset。

通過調(diào)節(jié)直流電動機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了機組電源的調(diào)頻；通過調(diào)節(jié)三相同步發(fā)電機的輸出機端電壓，實現(xiàn)了機組電源的調(diào)壓。可調(diào)頻調(diào)壓的機組電源非常適合作為同步電機或異步電機出廠試驗電源。

3 6RA80選型、安裝及調(diào)試

3.1 6RA80選型與安裝

（1）1#6RA80和2#6RA80選型及安裝

1#6RA80和2#6RA80的電樞并聯(lián)輸出12脈沖整流電源作為直流電動機的電樞電源。直流電動機主要銘牌參數(shù)見表1，其中，額定電樞電流為2040A，額定電樞電壓為550V。為充分發(fā)揮直流電動機的拖動功率，要求1#6RA80或2#6RA80電樞電流不小于1000A，電樞電壓不低于550V。依據(jù)《SINAMICS DCM DC Converter操作說明 版本2012年1月》對6RA80裝置型譜的說明，選擇1#6RA80和2#6RA8的具體型號為6RA8090-6GV62-0AA0（1100A/600V），四象限裝置。

其中，電樞回路供電電源為三相交流575V，通過主斷路器、主接觸器、交流快速熔斷器接入1#6RA80的電樞輸入端1U1、1V1、1W1，再經(jīng)三相全控橋整流功率單元變?yōu)殡妷骸㈦娏骺烧{(diào)的直流電壓源，輸出1C1經(jīng)直流快速熔斷器及電抗器后接至直流電動機電樞繞組“+”端，1D1經(jīng)直流快速熔斷器后接至電樞繞組“-”端。2#6RA80的電樞回路采用同樣配置及接線方式。

另外，1#6RA80勵磁回路供電電源為兩相交流200V，主斷路器、主接觸器、交流快速熔斷器接入1#6RA80的3U1、3W1，經(jīng)單相半控橋式脈沖對整流后轉(zhuǎn)為恒流源，由3C、3D直接輸出至直流電動機勵磁繞組。2#6RA80勵磁進線端子、輸出端子均不接線，且設(shè)置參數(shù)P82=0禁止勵磁觸發(fā)脈沖。

（2）3#6RA80選型及安裝

3#6RA80的電樞輸出6脈沖整流電源作為三相同步發(fā)電機的勵磁電源。同步發(fā)電機的主要銘牌參數(shù)見表2，其中，轉(zhuǎn)子電流為291A，轉(zhuǎn)子電壓為65.8V?？紤]到作為同步機或異步機的出廠試驗電源，必須滿足國標(biāo)中對被試產(chǎn)品空載試驗時1.3倍額定電壓的要求[3][4]，因此，依據(jù)6RA80裝置型譜，選擇3#6RA80具體型號為6RA8081-6DS22-0AA0（400A/400V），兩象限裝置。

電樞回路供電電源為三相交流60V，主斷路器、主接觸器、交流快速熔斷器接入1#6RA80的電樞輸入端1U1、1V1、1W1，再經(jīng)三相全控橋整流功率單元變?yōu)殡妷?、電流可調(diào)的直流電壓源，輸出1C1和1D1直接接至同步發(fā)電機勵磁繞組。為了防止意外觸電或干擾，3#6RA80勵磁進線端子、出線端子均不接線，且設(shè)置參數(shù)P82=0禁止勵磁觸發(fā)脈沖。考慮到同步電機轉(zhuǎn)子回路電感值較大，容易產(chǎn)生感應(yīng)高壓，因此回路中還增加壓敏過壓保護、自動滅磁等功能。

3.2 6RA80調(diào)試

為了完成整流裝置在本電源系統(tǒng)中的功能，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運行且控制精度滿足要求，需要進行6RA80調(diào)試工作。調(diào)試內(nèi)容主要分為硬件和軟件兩大部分，其中硬件調(diào)試又分為主回路和二次控制回路調(diào)試；軟件調(diào)試主要是設(shè)置6RA80參數(shù)，大體包含4個步驟：工廠復(fù)位、基本參數(shù)配置、自動優(yōu)化、并行通訊參數(shù)配置。

1）工廠復(fù)位：在驅(qū)動對象1中，配置參數(shù)p0009=30，使得裝置進入?yún)?shù)復(fù)位狀態(tài)，然后再配置參數(shù)p0976=1，裝置內(nèi)所有參數(shù)即被恢復(fù)為出廠設(shè)置，確保在未投入使用前6RA80裝置處于出廠狀態(tài)。

2）基本參數(shù)配置：基本參數(shù)主要包括直流電動機銘牌數(shù)據(jù)、DP通訊參數(shù)、IO參數(shù)等。部分參數(shù)配置見表3。

3）并行通訊參數(shù)配置：利用前端整流變壓器錯相，1#6RA70和2#6RA70并聯(lián)形成12脈沖整流輸出。為了獲得良好的控制性能，主從機之間采用并行通訊。部分通訊參數(shù)配置見表4。

（4）自動優(yōu)化：6RA80提供了兩種方法對外環(huán)調(diào)節(jié)器、內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器、勵磁調(diào)節(jié)器及EMF調(diào)節(jié)器進行自動整定或優(yōu)化。一種是“根據(jù)電機和功率單元的額定數(shù)據(jù)計算得出調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)，該過程中沒有任何實測數(shù)據(jù)參與優(yōu)化”；另外一種是“調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)由電機和功率單元的額定數(shù)據(jù)、實測數(shù)據(jù)計算得出”[5]。在本次改造系統(tǒng)的調(diào)試過程中，采用了第二種方法，主要步驟如下：

①拆開直流電動機與三相同步發(fā)電機之間的聯(lián)軸器，在1#6RA80處于狀態(tài)o7.0或o7.1時，設(shè)置參數(shù)p50051=24，進行勵磁調(diào)節(jié)器優(yōu)化運行；在30秒內(nèi)接通并使能1#6RA80，1分鐘后參數(shù)p50112、p50116、p50255、p50256等被自動設(shè)置。

②在1#6RA80處于狀態(tài)o7.0或o7.1時，設(shè)置參數(shù)p50051=25，進行內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運行；在30秒內(nèi)接通并運行使能1#6RA80，1分鐘后參數(shù)p50110、p50111、p50155、p50156等被自動設(shè)置。然后手動修改2#6RA80對應(yīng)參數(shù)，使得從機與主機的這部分參數(shù)保持一致。

③將直流電動機與三相同步發(fā)電機通過聯(lián)軸器重新對接安裝，然后先設(shè)置1#6RA80參數(shù)p50200為40ms，再設(shè)置p50051=26，30秒內(nèi)接通并使能1#6RA80和2#6RA80，即自動進行外環(huán)調(diào)節(jié)器優(yōu)化。優(yōu)化完成后參數(shù)p50225、p50226、p50228、p50540等被自動設(shè)置。

④機組電源額定輸出頻率為50Hz，實際運行時要兼顧60Hz被試產(chǎn)品電機試驗需求，因此直流電動機就存在1.2倍超速運行狀態(tài)，需要對1#6RA80進行EMF調(diào)節(jié)器優(yōu)化運行。先設(shè)置1#6RA80參數(shù)p50081=1、p50103=5（該值必須小于50%*p50102），再設(shè)置p50051=27，30秒內(nèi)接通并使能裝置，即自動進行EMF環(huán)調(diào)節(jié)器優(yōu)化。優(yōu)化完成后參數(shù)p50275、p50276、勵磁特性曲線參數(shù)p50120至p50139被自動設(shè)置。

對于3#6RA80裝置，由于其輸出是給三相同步發(fā)機勵磁供電，因此只能做內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器優(yōu)化，操作過程與上述步驟②類似，整定后得到參數(shù)p50110、p50111、p50155、p50156優(yōu)化值。3#6RA80外環(huán)調(diào)節(jié)器只能采用手動優(yōu)化方法，即根據(jù)機組運行狀態(tài)手動修改p50225和p50226等參數(shù)，直至發(fā)電機輸出電壓的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)達到試驗需求為止。

4 結(jié)論

針對某電機廠測試站的機組電源系統(tǒng)運行需求，通過引入西門子SINAMICS DCM整流器，實現(xiàn)系統(tǒng)提質(zhì)改造。運行結(jié)果表明：改造后的系統(tǒng)具有操作簡單、動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能好，可在控制室內(nèi)集中操作監(jiān)控，提高了機組電源系統(tǒng)的自動化水準和測試站的安全生產(chǎn)水平。

參考文獻：

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[4] GB/T 1032-2012，三相異步電動機試驗方法[S].

[5] SINAMICS DCM DC Converter 操作說明[J]. 2012.

【通聯(lián)編輯：梁書】