西门子SINAMICS DCM整流器在机组电源系统中的应用

刘国金 曾小群 王永川

摘要：研究了西门子SINAMICS DCM整流器的特点及功能，分析了机组电源系统改造的原理，完成了改造系统的设计与选型，结合经验列出了整流器的调试过程，改造后的系统具有操作简单、控制效果好、运行稳定等优点，测试站的安全生产水平也得到改善。

关键词：西门子整流器；SINAMICS DCM；机组电源

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：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

国内某电机厂的电机测试站，一直采用直流机组电源作为电机出厂试验电源。该电源系统以继电逻辑控制为基础，以可控硅三相全控桥整流为框架，配合分立模拟插件构成。系统本身存在控制精度不高、联锁保护功能不全、操作繁琐等缺陷，且由于运行年限长，电气元器件老化严重，故障率高，维护量大，维护成本也高。此外，系统的电气参数未能统一采集，不便于控制室内集中监控，存在安全生产隐患。文中笔者介绍了西门子SINAMICS DCM整流器（也称6RA80）在本套机组电源系统中的应用，通过改造升级，不仅提高了系统的控制精度与稳定性，而且实现了在控制室内统一操作和集中监控，改善了测试站的安全生产水平。

2 技术改造方案

2.1 系统选型

技术改造以机组电源系统的稳定、可靠、易维护为设计原则，并尽量降低改造成本。方案选用西门子SIMATIC S7-300作为中央控制器、西门子6RA80作为驱动装置。

SIMATIC S7-300是德国西门子公司开发的一款通用控制器。该控制器具有模块化设计特点，并配置有PROFIBUS DP及工业以太网通讯接口，是理想的集中式或分布式结构优化解决方案[1]。

西门子6RA80继承了西门子公司产品的一贯特色，具有以下四个特点[2]。

①硬件结构可靠。装置由高速微处理器及必要的输入输出电路构成，节省了大量逻辑控制继电器，且采用冗余容错硬件结构方式，驱动可靠性大大提高。

②调节功能强大。通过软件可实现各种调节控制功能。电枢调节计算、励磁调节计算、逻辑控制等均由软件实现，还可实现多种调节规律的选择切换。

③人机交互界面友好。6RA80采用简洁的按键和LED显示屏，实时显示装置当前状态或故障信息。

④通讯高效方便。通过西门子标准总线实现装置与中央控制器的通讯，进而实现与计算机监控系统的数据交换，用户在控制室内就可读写装置信息，实现集中操作、集中管理、安全生产。

综上所述，采用西门子SIMATIC S7-300作为中央控制器、西门子6RA80作为驱动装置，是既经济又契合本次改造需求的解决方案。

2.2 系统设计

系统设备主要包括3台6RA80整流器、2台配套整流变压器、2台配套电抗器、转速采样与电压采样元件等。配置上，两台6RA80（1#6RA80和2#6RA80）电枢输出端经电抗器并联后与直流电机电枢绕组相连；1#6RA80的励磁输出端直流电机励磁绕组相连；第三台6RA80（3#6RA80）电枢输出直接与三相同步发电机励磁绕组相连。同步发电机定子绕组输出作为试验电源的接口。改造后系统结构简图见图1所示。

①联轴器②断路器③整流变压器④电抗器⑤直流电机⑥同步发电机⑦电压采样⑧6RA80⑨转速采样⑩励磁绕组

考虑到工业现场电磁干扰较大，1#6RA80与2#6RA80之间采用并行通讯，保证通信及时性和稳定性；3台6RA80与PLC之间通讯方式为标准PROFIBUS DP。上位机监控软件通过工业以太网访问PLC，实时获取系统电气参数，实现集中控制。改造后系统通讯链路图见图2所示。

2.3 系统原理

（1）直流電动机控制：1#6RA80与2#6RA80并联形成12脉冲整流输出，作为直流机的电枢电源。其中，1#6RA80定义为主机，2#6RA80定义为从机。控制策略上，主机采用转速-电流双闭环调节模式，即转速为外环，电流（转矩）为内环，从机则采取电流（转矩）单闭环调节模式。对于双闭环调节，外环给定即转速给定来源于上位机人工设置，外环反馈来源于转速采样元件（光电编码器），两者偏差输入至外环调节器，调节器输出作为内环给定来源，内环的反馈来源于6RA80内部电流互感器，两者偏差输入至内环调节器，调节器的输出经处理后形成可控硅的触发角度，控制器按该角度将触发脉冲作用于可控硅。

同时，主机的励磁输出作为直流机的励磁电源。控制策略上，采用电流闭环控制。闭环给定来源于主机的反电势计算输出，闭环的反馈值来源于主机内部的电流检测。并且，主机能够实时监视实际励磁电流，若直流电机的实际励磁电流小于某个安全设定值，则主机将自动禁止本机与从机的触发脉冲，避免“飞车”事故发生。

（2）三相同步发电机控制：3#6RA80的电枢6脉冲整流输出作为发电机的励磁电源。控制策略上，采用电压-电流双闭环控制，机端电压为外环，励磁电流为内环。电压外环给定来源于上位机人工设置，反馈来源于电压采样元件（电压互感器），两者偏差输入外环调节器，调节器输出作为内环电流调节器输入，内环的反馈则来源于6RA80内部电流互感器。

机组启动及运行过程：当上位机设置机组目标转速Nset并启动时，PLC根据此指令将启动1#6RA80和2#6RA80，主机先输出恒定的励磁电流If1，当检测到实际励磁电流达到空载励磁电流值时，主从机同时输出直流电压，利用降压起动方式驱动直流电机开始旋转，直至实际转速稳定至目标转速Nset。此时与直流机同轴相连的同步发电机也以转速Nset旋转。上位机再设置发电机机端电压目标值Uset，PLC将启动3#6RA80运行输出励磁电流If2并逐步增大，直至实际定子电压Uact等于Uset。

通过调节直流电动机的转速，实现了机组电源的调频；通过调节三相同步发电机的输出机端电压，实现了机组电源的调压。可调频调压的机组电源非常適合作为同步电机或异步电机出厂试验电源。

3 6RA80选型、安装及调试

3.1 6RA80选型与安装

（1）1#6RA80和2#6RA80选型及安装

1#6RA80和2#6RA80的电枢并联输出12脉冲整流电源作为直流电动机的电枢电源。直流电动机主要铭牌参数见表1，其中，额定电枢电流为2040A，额定电枢电压为550V。为充分发挥直流电动机的拖动功率，要求1#6RA80或2#6RA80电枢电流不小于1000A，电枢电压不低于550V。依据《SINAMICS DCM DC Converter操作说明 版本2012年1月》对6RA80装置型谱的说明，选择1#6RA80和2#6RA8的具体型号为6RA8090-6GV62-0AA0（1100A/600V），四象限装置。

其中，电枢回路供电电源为三相交流575V，通过主断路器、主接触器、交流快速熔断器接入1#6RA80的电枢输入端1U1、1V1、1W1，再经三相全控桥整流功率单元变为电压、电流可调的直流电压源，输出1C1经直流快速熔断器及电抗器后接至直流电动机电枢绕组“+”端，1D1经直流快速熔断器后接至电枢绕组“-”端。2#6RA80的电枢回路采用同样配置及接线方式。

另外，1#6RA80励磁回路供电电源为两相交流200V，主断路器、主接触器、交流快速熔断器接入1#6RA80的3U1、3W1，经单相半控桥式脉冲对整流后转为恒流源，由3C、3D直接输出至直流电动机励磁绕组。2#6RA80励磁进线端子、输出端子均不接线，且设置参数P82=0禁止励磁触发脉冲。

（2）3#6RA80选型及安装

3#6RA80的电枢输出6脉冲整流电源作为三相同步发电机的励磁电源。同步发电机的主要铭牌参数见表2，其中，转子电流为291A，转子电压为65.8V。考虑到作为同步机或异步机的出厂试验电源，必须满足国标中对被试产品空载试验时1.3倍额定电压的要求[3][4]，因此，依据6RA80装置型谱，选择3#6RA80具体型号为6RA8081-6DS22-0AA0（400A/400V），两象限装置。

电枢回路供电电源为三相交流60V，主断路器、主接触器、交流快速熔断器接入1#6RA80的电枢输入端1U1、1V1、1W1，再经三相全控桥整流功率单元变为电压、电流可调的直流电压源，输出1C1和1D1直接接至同步发电机励磁绕组。为了防止意外触电或干扰，3#6RA80励磁进线端子、出线端子均不接线，且设置参数P82=0禁止励磁触发脉冲。考虑到同步电机转子回路电感值较大，容易产生感应高压，因此回路中还增加压敏过压保护、自动灭磁等功能。

3.2 6RA80调试

为了完成整流装置在本电源系统中的功能，实现系统稳定运行且控制精度满足要求，需要进行6RA80调试工作。调试内容主要分为硬件和软件两大部分，其中硬件调试又分为主回路和二次控制回路调试；软件调试主要是设置6RA80参数，大体包含4个步骤：工厂复位、基本参数配置、自动优化、并行通讯参数配置。

1）工厂复位：在驱动对象1中，配置参数p0009=30，使得装置进入参数复位状态，然后再配置参数p0976=1，装置内所有参数即被恢复为出厂设置，确保在未投入使用前6RA80装置处于出厂状态。

2）基本参数配置：基本参数主要包括直流电动机铭牌数据、DP通讯参数、IO参数等。部分参数配置见表3。

3）并行通讯参数配置：利用前端整流变压器错相，1#6RA70和2#6RA70并联形成12脉冲整流输出。为了获得良好的控制性能，主从机之间采用并行通讯。部分通讯参数配置见表4。

（4）自动优化：6RA80提供了两种方法对外环调节器、内环调节器、励磁调节器及EMF调节器进行自动整定或优化。一种是“根据电机和功率单元的额定数据计算得出调节器数据，该过程中没有任何实测数据参与优化”；另外一种是“调节器数据由电机和功率单元的额定数据、实测数据计算得出”[5]。在本次改造系统的调试过程中，采用了第二种方法，主要步骤如下：

①拆开直流电动机与三相同步发电机之间的联轴器，在1#6RA80处于状态o7.0或o7.1时，设置参数p50051=24，进行励磁调节器优化运行；在30秒内接通并使能1#6RA80，1分钟后参数p50112、p50116、p50255、p50256等被自动设置。

②在1#6RA80处于状态o7.0或o7.1时，设置参数p50051=25，进行内环调节器的优化运行；在30秒内接通并运行使能1#6RA80，1分钟后参数p50110、p50111、p50155、p50156等被自动设置。然后手动修改2#6RA80对应参数，使得从机与主机的这部分参数保持一致。

③将直流电动机与三相同步发电机通过联轴器重新对接安装，然后先设置1#6RA80参数p50200为40ms，再设置p50051=26，30秒内接通并使能1#6RA80和2#6RA80，即自动进行外环调节器优化。优化完成后参数p50225、p50226、p50228、p50540等被自動设置。

④机组电源额定输出频率为50Hz，实际运行时要兼顾60Hz被试产品电机试验需求，因此直流电动机就存在1.2倍超速运行状态，需要对1#6RA80进行EMF调节器优化运行。先设置1#6RA80参数p50081=1、p50103=5（该值必须小于50%*p50102），再设置p50051=27，30秒内接通并使能装置，即自动进行EMF环调节器优化。优化完成后参数p50275、p50276、励磁特性曲线参数p50120至p50139被自动设置。

对于3#6RA80装置，由于其输出是给三相同步发机励磁供电，因此只能做内环调节器优化，操作过程与上述步骤②类似，整定后得到参数p50110、p50111、p50155、p50156优化值。3#6RA80外环调节器只能采用手动优化方法，即根据机组运行状态手动修改p50225和p50226等参数，直至发电机输出电压的动态响应和稳态响应达到试验需求为止。

4 结论

针对某电机厂测试站的机组电源系统运行需求，通过引入西门子SINAMICS DCM整流器，实现系统提质改造。运行结果表明：改造后的系统具有操作简单、动态性能和稳态性能好，可在控制室内集中操作监控，提高了机组电源系统的自动化水准和测试站的安全生产水平。

参考文献：

[1] 马笑潇，等.深入浅出西门子S7-300PLC[J].北京航空航天大学出版社，2004.

[2] SINAMICS DCM Converter Units Catalog D23.1 [J]. 2010.

[3] GB/T 1029-2005，三相同步电机试验方法[S].

[4] GB/T 1032-2012，三相异步电动机试验方法[S].

[5] SINAMICS DCM DC Converter 操作说明[J]. 2012.

【通联编辑：梁书】