劉國(guó)金 曾小群 王永川

摘要：研究了西門(mén)子SINAMICS DCM整流器的特點(diǎn)及功能，分析了機(jī)組電源系統(tǒng)改造的原理，完成了改造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)列出了整流器的調(diào)試過(guò)程，改造后的系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、控制效果好、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試站的安全生產(chǎn)水平也得到改善。

關(guān)鍵詞：西門(mén)子整流器；SINAMICS DCM；機(jī)組電源

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(guó)內(nèi)某電機(jī)廠的電機(jī)測(cè)試站，一直采用直流機(jī)組電源作為電機(jī)出廠試驗(yàn)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(hù)功能不全、操作繁瑣等缺陷，且由于運(yùn)行年限長(zhǎng)，電氣元器件老化嚴(yán)重，故障率高，維護(hù)量大，維護(hù)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(mén)子SINAMICS DCM整流器（也稱(chēng)6RA80）在本套機(jī)組電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過(guò)改造升級(jí)，不僅提高了系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性，而且實(shí)現(xiàn)了在控制室內(nèi)統(tǒng)一操作和集中監(jiān)控，改善了測(cè)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(jī)組電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠、易維護(hù)為設(shè)計(jì)原則，并盡量降低改造成本。方案選用西門(mén)子SIMATIC S7-300作為中央控制器、西門(mén)子6RA80作為驅(qū)動(dòng)裝置。

SIMATIC S7-300是德國(guó)西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的一款通用控制器。該控制器具有模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，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(mén)子6RA80繼承了西門(mén)子公司產(chǎn)品的一貫特色，具有以下四個(gè)特點(diǎn)[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(cuò)硬件結(jié)構(gòu)方式，驅(qū)動(dòng)可靠性大大提高。

②調(diào)節(jié)功能強(qiáng)大。通過(guò)軟件可實(shí)現(xiàn)各種調(diào)節(jié)控制功能。電樞調(diào)節(jié)計(jì)算、勵(lì)磁調(diào)節(jié)計(jì)算、邏輯控制等均由軟件實(shí)現(xiàn)，還可實(shí)現(xiàn)多種調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇切換。

③人機(jī)交互界面友好。6RA80采用簡(jiǎn)潔的按鍵和LED顯示屏，實(shí)時(shí)顯示裝置當(dāng)前狀態(tài)或故障信息。

④通訊高效方便。通過(guò)西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)總線實(shí)現(xiàn)裝置與中央控制器的通訊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，用戶(hù)在控制室內(nèi)就可讀寫(xiě)裝置信息，實(shí)現(xiàn)集中操作、集中管理、安全生產(chǎn)。

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

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)備主要包括3臺(tái)6RA80整流器、2臺(tái)配套整流變壓器、2臺(tái)配套電抗器、轉(zhuǎn)速采樣與電壓采樣元件等。配置上，兩臺(tái)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(jī)電樞繞組相連；1#6RA80的勵(lì)磁輸出端直流電機(jī)勵(lì)磁繞組相連；第三臺(tái)6RA80（3#6RA80）電樞輸出直接與三相同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組相連。同步發(fā)電機(jī)定子繞組輸出作為試驗(yàn)電源的接口。改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)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(jī)⑥同步發(fā)電機(jī)⑦電壓采樣⑧6RA80⑨轉(zhuǎn)速采樣⑩勵(lì)磁繞組

考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(shí)性和穩(wěn)定性；3臺(tái)6RA80與PLC之間通訊方式為標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS DP。上位機(jī)監(jiān)控軟件通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)訪問(wèn)PLC，實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng)電氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)集中控制。改造后系統(tǒng)通訊鏈路圖見(jiàn)圖2所示。

2.3 系統(tǒng)原理

（1）直流電動(dòng)機(jī)控制：1#6RA80與2#6RA80并聯(lián)形成12脈沖整流輸出，作為直流機(jī)的電樞電源。其中，1#6RA80定義為主機(jī)，2#6RA80定義為從機(jī)?？刂撇呗陨?，主機(jī)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(jī)則采取電流（轉(zhuǎn)矩）單閉環(huán)調(diào)節(jié)模式。對(duì)于雙閉環(huán)調(diào)節(jié)，外環(huán)給定即轉(zhuǎn)速給定來(lái)源于上位機(jī)人工設(shè)置，外環(huán)反饋來(lái)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(lái)源，內(nèi)環(huán)的反饋來(lái)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(shí)，主機(jī)的勵(lì)磁輸出作為直流機(jī)的勵(lì)磁電源?？刂撇呗陨?，采用電流閉環(huán)控制。閉環(huán)給定來(lái)源于主機(jī)的反電勢(shì)計(jì)算輸出，閉環(huán)的反饋值來(lái)源于主機(jī)內(nèi)部的電流檢測(cè)。并且，主機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視實(shí)際勵(lì)磁電流，若直流電機(jī)的實(shí)際勵(lì)磁電流小于某個(gè)安全設(shè)定值，則主機(jī)將自動(dòng)禁止本機(jī)與從機(jī)的觸發(fā)脈沖，避免“飛車(chē)”事故發(fā)生。

（2）三相同步發(fā)電機(jī)控制：3#6RA80的電樞6脈沖整流輸出作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源?？刂撇呗陨希捎秒妷?電流雙閉環(huán)控制，機(jī)端電壓為外環(huán)，勵(lì)磁電流為內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)給定來(lái)源于上位機(jī)人工設(shè)置，反饋來(lái)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(lái)源于6RA80內(nèi)部電流互感器。

機(jī)組啟動(dòng)及運(yùn)行過(guò)程：當(dāng)上位機(jī)設(shè)置機(jī)組目標(biāo)轉(zhuǎn)速Nset并啟動(dòng)時(shí)，PLC根據(jù)此指令將啟動(dòng)1#6RA80和2#6RA80，主機(jī)先輸出恒定的勵(lì)磁電流If1，當(dāng)檢測(cè)到實(shí)際勵(lì)磁電流達(dá)到空載勵(lì)磁電流值時(shí)，主從機(jī)同時(shí)輸出直流電壓，利用降壓起動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，直至實(shí)際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至目標(biāo)轉(zhuǎn)速Nset。此時(shí)與直流機(jī)同軸相連的同步發(fā)電機(jī)也以轉(zhuǎn)速Nset旋轉(zhuǎn)。上位機(jī)再設(shè)置發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓目標(biāo)值Uset，PLC將啟動(dòng)3#6RA80運(yùn)行輸出勵(lì)磁電流If2并逐步增大，直至實(shí)際定子電壓Uact等于Uset。

通過(guò)調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組電源的調(diào)頻；通過(guò)調(diào)節(jié)三相同步發(fā)電機(jī)的輸出機(jī)端電壓，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組電源的調(diào)壓?？烧{(diào)頻調(diào)壓的機(jī)組電源非常適合作為同步電機(jī)或異步電機(jī)出廠試驗(yàn)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(dòng)機(jī)的電樞電源。直流電動(dòng)機(jī)主要銘牌參數(shù)見(jiàn)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(dòng)機(jī)的拖動(dòng)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(shuō)明 版本2012年1月》對(duì)6RA80裝置型譜的說(shuō)明，選擇1#6RA80和2#6RA8的具體型號(hào)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(guò)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經(jīng)直流快速熔斷器及電抗器后接至直流電動(dòng)機(jī)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(lì)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(duì)整流后轉(zhuǎn)為恒流源，由3C、3D直接輸出至直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組。2#6RA80勵(lì)磁進(jìn)線端子、輸出端子均不接線，且設(shè)置參數(shù)P82=0禁止勵(lì)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(jī)的勵(lì)磁電源。同步發(fā)電機(jī)的主要銘牌參數(shù)見(jiàn)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(jī)或異步機(jī)的出廠試驗(yàn)電源，必須滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)中對(duì)被試產(chǎn)品空載試驗(yàn)時(shí)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(hào)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(jī)勵(lì)磁繞組。為了防止意外觸電或干擾，3#6RA80勵(lì)磁進(jìn)線端子、出線端子均不接線，且設(shè)置參數(shù)P82=0禁止勵(lì)磁觸發(fā)脈沖。考慮到同步電機(jī)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(guò)壓保護(hù)、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行且控制精度滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)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(gè)步驟：工廠復(fù)位、基本參數(shù)配置、自動(dòng)優(yōu)化、并行通訊參數(shù)配置。

1）工廠復(fù)位：在驅(qū)動(dòng)對(duì)象1中，配置參數(shù)p0009=30，使得裝置進(jìn)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(dòng)機(jī)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(jiàn)表3。

3）并行通訊參數(shù)配置：利用前端整流變壓器錯(cuò)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(jī)之間采用并行通訊。部分通訊參數(shù)配置見(jiàn)表4。

（4）自動(dòng)優(yōu)化：6RA80提供了兩種方法對(duì)外環(huán)調(diào)節(jié)器、內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器及EMF調(diào)節(jié)器進(jìn)行自動(dòng)整定或優(yōu)化。一種是“根據(jù)電機(jī)和功率單元的額定數(shù)據(jù)計(jì)算得出調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)，該過(guò)程中沒(méi)有任何實(shí)測(cè)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(jī)和功率單元的額定數(shù)據(jù)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出”[5]。在本次改造系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程中，采用了第二種方法，主要步驟如下：

①拆開(kāi)直流電動(dòng)機(jī)與三相同步發(fā)電機(jī)之間的聯(lián)軸器，在1#6RA80處于狀態(tài)o7.0或o7.1時(shí)，設(shè)置參數(shù)p50051=24，進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)器優(yōu)化運(yùn)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(dòng)設(shè)置。

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

③將直流電動(dòng)機(jī)與三相同步發(fā)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器重新對(duì)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(dòng)進(jìn)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(dòng)設(shè)置。

④機(jī)組電源額定輸出頻率為50Hz，實(shí)際運(yùn)行時(shí)要兼顧60Hz被試產(chǎn)品電機(jī)試驗(yàn)需求，因此直流電動(dòng)機(jī)就存在1.2倍超速運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)1#6RA80進(jìn)行EMF調(diào)節(jié)器優(yōu)化運(yùn)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(dòng)進(jìn)行EMF環(huán)調(diào)節(jié)器優(yōu)化。優(yōu)化完成后參數(shù)p50275、p50276、勵(lì)磁特性曲線參數(shù)p50120至p50139被自動(dòng)設(shè)置。

對(duì)于3#6RA80裝置，由于其輸出是給三相同步發(fā)機(jī)勵(lì)磁供電，因此只能做內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器優(yōu)化，操作過(guò)程與上述步驟②類(lèi)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(dòng)優(yōu)化方法，即根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)手動(dòng)修改p50225和p50226等參數(shù)，直至發(fā)電機(jī)輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)達(dá)到試驗(yàn)需求為止。

4 結(jié)論

針對(duì)某電機(jī)廠測(cè)試站的機(jī)組電源系統(tǒng)運(yùn)行需求，通過(guò)引入西門(mén)子SINAMICS DCM整流器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)提質(zhì)改造。運(yùn)行結(jié)果表明：改造后的系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、動(dòng)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(jī)組電源系統(tǒng)的自動(dòng)化水準(zhǔn)和測(cè)試站的安全生產(chǎn)水平。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】