6RA70調(diào)速器在風洞直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

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（1.中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所，四川 綿陽 621000；2.天津電氣傳動設(shè)計研究所，天津 300180）

1 引言

8m×6m風洞是我國乃至亞洲最大的低速風洞，由3臺2 600kW的直流電機拖動風扇，為風洞試驗提供穩(wěn)定的風速。對風扇電機的調(diào)速采用西門子6RA24調(diào)速器，電控采用西門子S7－300 PLC系列可編程序控制器。由于該控制系統(tǒng)很多控制部件在“5.12”地震中損壞，不能滿足風洞試驗的需要，因此必須進行能力恢復和技術(shù)提升式改造。

自從20世紀80年代中后期，德國西門子公司推出6RA22以來，到現(xiàn)在又相繼推出了6RA23、6RA24和6RA70。他們的共同特點是采用單片機開、閉環(huán)控制，邏輯運算，故障診斷，參數(shù)設(shè)置，狀態(tài)故障顯示。當在主機板上加上擴展模板時，則可實現(xiàn)與其他自動化系統(tǒng)的通訊能力，或完成特殊的控制能力。6RA24采用的是Intel的16位單片機80C97。由于單片機本身的性能沒有太大的改進，其同步信號取自控制回路，因此要求控制回路相序與主回路相序要嚴格一致，在現(xiàn)場調(diào)試中很不方便。而6RA70采用的是西門子公司自身開發(fā)的單片機80C166，它的性能要比Intel 80C196KC高得多，故6RA70裝置無論在性能和功能方面都比6RA24有了很大的提高。特別是在6RA70中，同步信號取自主回路，這樣主回路相序與控制回路相序就沒有關(guān)聯(lián)。因此在本次改造中，風扇電機的調(diào)速采用了6RA70調(diào)速器，電控采用了S7－400PLC系列可編程序控制器。

2 6RA70調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)及功能

6RA70系列調(diào)速器為三相交流電源直接供電全數(shù)字控制的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)，可以實現(xiàn)直流電動機的調(diào)壓調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速，能夠增加直流電動機的調(diào)速范圍，改善電動機的低速特性。

其控制單元由電樞和勵磁觸發(fā)單元、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電樞反電勢閉環(huán)控制單元、勵磁電流閉環(huán)控制單元、斜坡函數(shù)發(fā)生器、給定值處理器以及輸入輸出接口電路等組成，各個部分的控制功能由2臺微處理器完成，通過參數(shù)將軟件所提供的程序塊進行“連接”控制。

6RA70系列直流調(diào)速器為三相交流電源直接供電的全數(shù)字晶閘管整流控制器，其技術(shù)特點如下：

1）所有的調(diào)節(jié)和控制均實現(xiàn)全數(shù)字化處理，因而裝置抗干擾性好、控制精度高、運行穩(wěn)定可靠；

2）控制系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)的調(diào)試，可以用優(yōu)化程序自動完成，調(diào)試方便快捷；

3）具有超強的故障自診斷和處理功能，可對缺相、過流、過壓、欠磁、超速等各種故障進行監(jiān)視和處理，并能模擬電動機的溫升曲線，對電動機過熱進行監(jiān)視；

4）強大的通訊能力，可以通過通訊接口或增加通訊板，和上一級自動化系統(tǒng)進行通訊，方便地實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，支持SIMOLINK，PROFIBUS，CAN，USS等多種協(xié)議；

5）可以根據(jù)工藝要求進行系統(tǒng)功能擴展，利用附加板完成特殊控制。

3 風洞直流調(diào)速系統(tǒng)分析

風扇電機作為風洞試驗所需風速的驅(qū)動裝置，其調(diào)速性能決定了試驗風速精準度，直接影響試驗的數(shù)據(jù)，因此，對風扇電機進行分析建模，設(shè)計出高性能指標的調(diào)速系統(tǒng)尤為關(guān)鍵。

3.1 直流電機調(diào)速方式分析

他勵直流電動機的機械特性方程為

由式（1）可見，由于改變電樞電壓調(diào)速一般不超過額定電壓，可以實現(xiàn)無級調(diào)速，平滑性良好，穩(wěn)定性高，調(diào)速范圍寬而得到廣泛的應(yīng)用。常用的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)分為單環(huán)與多環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。為了獲得理想的靜、動態(tài)性能，通常采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的分析

在轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)一般采用PI控制。其傳遞函數(shù)可以表示為

式中：Ki／n為電流（或轉(zhuǎn)速）調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)；τi／n為電流（或轉(zhuǎn)速）調(diào)節(jié)器時間常數(shù)。

轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)基本上實現(xiàn)了在限制電流下的快速啟動，利用了飽和非線性方法，達到時間最優(yōu)控制。它具有系統(tǒng)精度高、響應(yīng)速度快、易于穩(wěn)定、便于調(diào)整等優(yōu)點。

4 6RA70在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

該調(diào)速系統(tǒng)以PLC為核心，以西門子6RA70調(diào)速器為執(zhí)行元件。當系統(tǒng)聯(lián)鎖正常滿足開車條件時，PLC將系統(tǒng)給定傳輸給調(diào)速器。調(diào)速器將給定和反饋進行比較、運算和調(diào)節(jié)，輸出正反組脈沖移相信號通過脈沖放大板加到晶閘管上，為風扇電機供電實現(xiàn)電機的運行。系統(tǒng)主回路單線圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)主回路單線圖Fig.1 System main circuit diagram

4.1 電樞回路控制系統(tǒng)

電動機采用12脈沖整流，主回路高壓斷路器將電網(wǎng)6kV電壓引入整流變壓器，整流變壓器選用裂解三繞組形式，原邊為三角形（△）接法，2個副邊繞組1個為三角形（△）接法，1個為星形（Y）接法，2個副邊繞組輸出線電壓相等（由于5·12地震的影響使變壓器副邊輸出有所不同分別是380V和344V，但不影響使用），相位相差30°，形成原邊12相整流效果，減少了對電網(wǎng)的諧波污染和電機轉(zhuǎn)矩的脈動。為了實現(xiàn)12相整流電路，需要2個6RA70裝置采用主從控制方式，主動裝置為速度閉環(huán)和電流閉環(huán)運行，從動裝置通過點到點通訊接收主動裝置的電流為電流閉環(huán)。本系統(tǒng)利用2套30A的6RA70直流調(diào)速裝置的控制部分，輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，經(jīng)隔離和功率放大后分別觸發(fā)2組國產(chǎn)大功率2 500A三相橋式晶閘管整流裝置，2整流橋串聯(lián)后為風扇電機供電，從而實現(xiàn)風扇電機電樞電壓的控制。主6RA70線路原理見圖2。

圖2 主6RA70線路原理圖Fig.2 The circuit schematic diagram of main 6RA70

圖2中1U1、1V1、1W1是主電源的同步電源；5U1、5W1 是裝置工作電源；3U1、3W1是勵磁電源（本系統(tǒng)未用）；M1～M6，V1～V6（從裝置）分別是其輸出的6組角度互差60°的脈沖；Z14，Z15，Z4，Z5是主6RA70與勵磁6RA70的聯(lián)絡(luò)點作為今后需要弱磁等功能的備用；56～60是主6RA70與從6RA70點對點通訊的的聯(lián)絡(luò)點；1C1，1D1是取自整流柜直流側(cè)的電壓反饋；Z1F1，Z1F2，Z100是取自整流柜交流側(cè)的電流反饋。34，37，38是啟動、使能開關(guān)輸入點；105，106是系統(tǒng)主回路聯(lián)鎖輸入點；26～31是轉(zhuǎn)速反饋輸入點；6，7是電位器模擬給定輸入點；16，17是轉(zhuǎn)速表顯示輸出點。

4.2 勵磁回路控制系統(tǒng)

勵磁回路控制系統(tǒng)由隔離變壓器供電，直接利用1套60A的6RA70調(diào)速裝置的控制和功率部件，輸出恒定的38A的直流電給勵磁繞組供電。其線路原理見圖3。

圖3 勵磁6RA70線路原理圖Fig.3 The circuit schematic diagram of excitation 6RA70

圖3中，主回路交流電源經(jīng)隔離變壓器、過壓保護、熔斷保護后輸入勵磁6RA70，由勵磁6RA70控制整流成恒定直流經(jīng)電阻和二極管續(xù)流接入風扇電機勵磁繞組。勵磁6RA70的輸出觸點109／110通過中間繼電器K1控制交流接觸器KM1，從而實現(xiàn)對勵磁回路的合閘控制。

4.3 6RA70參數(shù)設(shè)置

采用“小觸大”控制方式的電樞調(diào)速器需要設(shè)置電樞電壓、電樞電流、勵磁電壓。設(shè)置電樞電流時需要按比例對應(yīng)電機的額定電樞電流和電流互感器的銘牌值。

主要參數(shù)設(shè)置如下。

電樞調(diào)速器輸入的電動機參數(shù)：P100＝30；P101＝400；P102＝0；P104＝5 000；P105＝0.1；P107＝0.1。

該系統(tǒng)速度實際值由脈沖編碼器提供，需設(shè)置P083＝2，有關(guān)脈沖編碼器的參數(shù)：P140＝1；P141＝2 048；P142＝0；P143＝440。

斜坡函數(shù)發(fā)生器參數(shù)：P303＝40；P304＝40；P305＝1；P306＝5。

電流和速度調(diào)速器參數(shù)：P155＝0.3；P156＝0.08；P225＝1.5；P226＝8。

4.4 6RA70與PLC之間DP通訊的數(shù)據(jù)交換

6RA70與PLC通過CBP2通訊板進行數(shù)據(jù)交換。其數(shù)據(jù)交換格式如下。

6RA70用1塊通訊板（CB）與PLC進行通訊，其可以接收16個字（K3001－K3016）和發(fā)送16個字的數(shù)據(jù)（Word1－Word16）。若交換的數(shù)據(jù)量不能滿足需要，可增加1塊通訊板將接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)分別擴展到32個字。

6RA70接收的16個字前9個可以按字讀取，也可以按位讀取，后7個字只能按字讀取。若按字讀取，則第1個字其連接器固定為K3001、第2個字其連接器固定為K3002、依次類推，第16個字其連接器固定為K3016；若按位讀取，則第1個字的16個位的連接器固定為B3100－B3115、第2個字的16個位的連接器固定為B3200－B3215、依次類推，第9個字的16個位的連接器固定為B3900－B3915。本系統(tǒng)中只接收第2和第3兩個字。第2個字為速度給定信號，按字讀取，為K3002（通過參數(shù)P433設(shè)置標準給定的源）；第3個字為控制字，按位讀取，而且只用了前2位，B3300為啟動信號（通過參數(shù)P654設(shè)置，與端子37“與”），B3301為使能信號（通過參數(shù)P661設(shè)置，與端子38“與”）。

6RA70發(fā)送的16個字通過參數(shù)U734來進行設(shè)置。出廠設(shè)定為 U734.001＝32（K32為狀態(tài)字1）；U734.002＝167（K167為帶符號的速度實際值）；U734.004＝33（K33為狀態(tài)字2）；其余未用。本系統(tǒng)中：U734.001＝32（K32為狀態(tài)字1）；U734.002＝173（K173為 K167經(jīng)過濾波處理的速度實際值）；U734.003＝117（K117為帶符號的實際電樞電流值）；U734.004＝291（K291為實際電樞電壓絕對值）。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)采用“以小觸大”的控制技術(shù)，即保留原有大容量晶閘管整流裝置，用小容量的全數(shù)字調(diào)速器作為調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過脈沖信號的轉(zhuǎn)接并驅(qū)動原來的大容量整流裝置，實現(xiàn)風扇電機的調(diào)速。因此改造成本低，系統(tǒng)精度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠性好。該系統(tǒng)運行2a以來效果非常好，系統(tǒng)安全可靠，穩(wěn)定精度達到了0.06%，為風洞試驗數(shù)據(jù)質(zhì)量提供了前提保證。該直流傳動控制系統(tǒng)的改造方式及思路，對大型低速風洞的老直流控制系統(tǒng)改造有一定的推廣借鑒作用。

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