毕业论文--西门子6RA70直流调速系统的实验研究.doc

毕业论文-西门子6RA70直流调速系统的实验研究 摘 要西门子6RA70系列整流器为全数字紧凑型整流器输入为三相电可向变速直流驱动用的电枢和励磁供电额定电枢电流从15A至3000A关键词直流调速西门子6RA70参数设置功能模块参数自整定AbstractThe series of Siemens 6RA70 rectifier is entire compact digitalthe input is the three-phase ACcan provide the armature and the exciting current which the direct-current drive used output armature electric current from 15A to 3000A All the control of opens and closed loop actuation and the communication is by two function formidable microprocessor realization the realization of actuation control function may through the parameter connect that by the block which provides the softwareThe present situation of the 6RA70 development and the method of research introduced in this thesis the total character style cocurrent velocity modulation system of Simens 6RA70 also introduced including all structure and composition hardware system and software function Introduced the speed and electric current closed loop velocity modulation The logical control system does not have the reversible circulation velocity modulation Integrated control principle of 6RA70 cocurrent velocity modulation system Finally explained the parameter establishment method of the DC velocity modulation system self regulating method of the electric current loop and speed loops parameter special function module and the application method In the end introduced the correlation experiment the connection of wire parameter setting and part of the result about this experimentationKeywordSpeed-adjusting of DC motor Siemens 6RA70 Parameters setting Function module Parameter self-adjusting目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论111 课题背景112 西门子6RA70调速装置的应用现状213课题内容及研究方法4第2章 西门子6RA70调速系统概况521 西门子6RA70直流调速系统的组成5com 西门子6RA70的总体结构5com 西门子6RA70的硬件组成6com 西门子6RA70的工作原理7第3章 西门子6RA70调速系统的基本原理931 单闭环调速系统932 转速电流双闭环调速系统10com 转速电流双闭环调速系统的组成10com 双闭环调速系统的稳态结构和静特性11com 双闭环调速系统的动态性能1333 本章小结18第4章 西门子6RA70的主要功能和参数设置1941 西门子6RA70主要功能简介1942 西门子6RA70部分功能参数设置2043 西门子6RA70系统优化技巧2143 西门子6RA70特殊功能模块的使用22com 合闸分闸使能22com 点动爬行安全停车23第五章 基于6RA70直流调速系统的实验2651 实验室整流器的型号及技术数据26com 整流器的型号26com 技术数据26com 实验室电动机的参数27com 实验设备图2752 参数设置28com 参数类型28com 参数设置途径29com 相关参数3053 电流环和速度环参数自整定3254 相关实验举例34com 实验内容34com 实验结果记录37本章小结38结 论39参考文献40附录144附录247附录351附录451致谢52第1章 绪论11 课题背景30多年来由于以下三个方面的原因推动了电力拖动控制系统的迅速发展第一是控制理论的发展出现了最优控制自适应控制智能控制等相应的传动控制系统也在实践中逐步形成第二是电子器件的发展带来了拖动控制系统组成结构的重大变化过去采用旋转变流机组来实现直流电动机的平滑调速而直流发动机的励磁又采用交磁功率放大机磁放大器进行控制在50年代出现了水银整流器静止变流装置60年代出现了晶闸管整流装置它不仅在经济性和可靠性上有所提高而且在技术性能上也显示了很大的优越性另外集成运算放大器和众多的电子模块的出现不断促进了控制系统结构的变化第三是80年代计算机技术和通信技术的发展开创了拖动控制系统蓬勃发展的新时代8位-32位单片机的相继出现并应用于控制系统使其结构更加简单功能更加强大可靠性更高由于直流电动机具有良好的机械特性能在大范围内平滑调速起动制动和正反转等目前在传动领域中应用广泛从传动系统来讲虽然近几年来交流电机调速技术发展很快在许多方面向直流电机调速技术领域扩展但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交流传动的基础对于直流传动系统来说它也在不断地更新和发展如完全数字化的控制装置成功应用于生产以微机作为控制系统的核心部件并具有控制检测监视故障诊断以及故障处理等多功能的电气传动系统正在形成和不断的完善西门子6RA70是全数字化工业用直流电动机调速驱动器的最新产品具有控制监视保护和串行通讯等功能2台高效能微处理器负责电枢和励磁回路所有的调节和传动控制实现无环流逻辑控制所有运行参数均可由操作控制面板进行选择设定和修改传统的传动系统一般采用模拟直流调速系统现场粉尘较大由于系统长时间运行经常造成接触器辅助触点接触不良插件板内部元件及线路灰尘积累产生不完全短路的耦合干扰等故障经多年使用元件设备老化技术水平落后故障率高维护困难影响正常的生产和稳定运行选用6RA70系列全数字直流调速装置和西门子S7-300系列小型可编程控制器来完成系统的电传动控制通过两者的结合此系统具有良好的扩展性和很强的适应性可以采用此电传动控制系统的方法进行整体推移技术改造利用成熟的高新技术发挥全数字调速的优越性使调速性能从本质上得到改善12 西门子6RA70调速装置的应用现状6RA70是全数字化工业用直流电动机调速驱动器的最新产品具有控制监视保护和串行通讯等功能2台高效能微处理器负责电枢和励磁回路所有的调节和传动控制实现无环流逻辑控制所有运行参数均可由操作面板进行选择设定和修改通过装置的USS接口用随机提供的Drive Monitor软件可以实现PLC与装置的连接更方便地设置监控调节器6RA70的主板 CUD1板 带有4路开关量和2路模拟量输入用于接收启动信号和控制信号2路开关量和2路模拟量输出用于控制外围设备和仪表各开关量和模拟量输入输出都可以通过参数设置来接入调节器的不同结合点实现不同功能6RA70的最大特点在于应用了基于自由连接技术的软件结构系统中所有重要的量都以连接器来表示模拟量使用模拟量连接器以Kxxxx表示数字量使用开关量连接器以Bxxxx表示调速器的控制程序是以模块式相连接的通过对软件模块输入对应的参数来选择不同的连接器号模块之间可以重新排列组合从而满足不同的工艺要求6RA70的参数分为电机数据组功能数据组和BICO数据组功能数据组参数具有4个变址通过开关量连接器可以选择哪组参数有效这样1台装置最多可以交替控制4台不同的电机每台电机可以有不同的电机参数给定源反馈源调节器增益和积分时间常数等BICO数据组有2个变址可以通过控制字进行转换即可选择在结合点哪些连接器量值有效这样就可使调节器结构或控制量灵活匹配西门子6RA70直流调速系统具有良好的传动技术耐用高效能和物美价廉的特点根据使用情况直流传动通常是成本较低的传动解决方案它具有性能可靠操作舒适和运行平稳等优点因此由于某些技术和经济的因素直流传动应用于许多工业领域成本较低的四象限运行转速较低时的持续运转既使在转速较低时也能提供全部转矩较高的启动转矩在恒功率时有较大的调速范围较小的占地面积高可靠性西门子6RA70 直流调速系统能适合各种需要可以提供经济的解决方案SIMOREG DC-MASTER系列整流器具有顶尖的性能和集成技术运行可靠和高使用价值用于世界范围内许多领域印刷机的主传动橡胶和塑料工业起重机械中的移动和提升机构的传动电梯和索道传动在造纸工业钢铁工业中剪床驱动装置轧机传动卷取机传动用于电机涡轮机或减速机试验台SIMOREG DC-MASTER是一个完整的家族SIMOREG DC-MASTER家族包括各种型号功率范围63kW1900kW用于电枢和励磁馈电单双或四象限传动并且SIMOREG DC-MASTER具有高动态性能电流或转矩上升时间大大低于10 ms因此无论在任何情况都能满足需要它们最重要的特性为完全集成在每个自动化领域内完全的模块扩展能力从标准应用到高性能解决方案冗余传动方案可达12000A通过智能化的并联电路完成额定输入电压400V830V通过全电子化的参数设置快速简单的启动统一的操作体系经过研究设计出全数字控制的电传动控制系统该系统电动机能够可逆运行具有点动和爬行功能逻辑控制环节由一台小型PLC实现由于设备较多内部联锁复杂控制性能要求高实时性强要求系统快速可靠选用6RA70系列全数字直流调速装置和西门子S7300系列小型可编程控制器来完成系统的电传动控制通过两者的结合此系统具有良好的扩展性和很强的适应性13课题内容及研究方法本课题所要研究的内容是熟悉西门子调速系统的总体结构和组成了解掌握西门子6RA70直流调速装置的原理和参数设置等使用方法直流调速系统电流环和速度环的参数自整定方法及进行相关实验研究了解和掌握特殊功能模块的应用方法掌握电力拖动控制系统中关于直流调速系统的知识充分理解转速电流双闭环调速系统的组成及其静态特性和稳态特性查阅大量关于西门子6RA70直流调速装置的资料充分熟悉本系统的调速原理在此基础上通过实验室调速系统说明书等资料来掌握怎样进行参数设置及速度环和电流环的参数自整定方法最后在熟知以上知识的基础之上反复进行实验研究理论结合实践实践验证理论最后达到所要求的目标第2章 西门子6RA70调速系统概况21 西门子6RA70直流调速系统的组成6RA70系列调速装置有可控的电枢励磁晶闸管整流模块及全数字调节系统组成其中全数字调节系统包括控制板软件程序2部分还可增加扩展控制板对系统功能进一步扩展本系统采用双闭环直流调速系统其一是由6RA70内置的电枢电流调节器和电流互感器构成的电流环其二是由6RA70内置速度调节器和安装在直流电机轴上的光电脉冲编码器构成的速度环速度环为主环电流环为副环速度调节器和电流调节器实现串级连接由速度调节器驱动电流调节器再由电流调节器去控制触发电路触发晶闸管控制电机进行调速com 西门子6RA70的总体结构 6RA70 SIMOREG DC MASTER 系列整流器以其紧凑和节省空间的结构为特色由于各个的部件容易接近其紧凑式设计使他们特别容易保养与维护电子板箱包含基本电子板和任何附加板所有SIMOREG DC MASTER 装置均配备一个安装在整流器门上的简易操作面板PMU面板由一个5位7段显示作为状态显示三个LED和三个参数设置键组成PMU 还具有根据RS232或RS485 标准同USS 接口的连接器X300操作面板提供了为了启动整流器所需进行的调整和设定及测量值显示的所有工具OP1S整流器选件操作面板既可以安装在整流器门上又可外部安装例如在柜门上因此他可以通过一根5米长电缆连接如果有一个独立的5V电源可以使用则电缆可长至50米OP1S可以作为一个经济的测量仪器安装在控制柜用来显示一定数量的物理测量值它提供一个416字符的LCD以简单文字显示参数名称可以选择德语英语法语西班牙语和意大利语作为显示语种为了容易地下载参数到其他装置OP1S可以存储参数组通过基本单元上的串行接口应用适当的软件标准的PC机也可以对整流器进行参数设置这个PC接口可用在启动停机维护和运行诊断过程中此外整流器的软件升级可通过这个接口装载存储到闪存中单象限工作的整流器电枢由三相全控桥B6C供电四象限工作整流器通过两个三相全控桥 B6 A B6 C无环流反并联连接电路供电励磁供电采用2 脉冲单相半控桥方案B2HZ电枢和励磁的供电频率可以不相同 在45至65Hz 范围之内 工作在扩大的频率范围23Hz到110Hz需询问电枢回路的供电相序不要求对于额定直流电流为15到850A 在400V电源电压时1200A 的整流器电枢和励磁的功率单元采用独立晶闸管模块结构散热器是绝缘的对于高于上述额定电流的整流器电枢回路的功率单元由平板式晶闸管和散热器构成 晶闸管组件 其外部是带电的机箱和电源联接处的端子盖为在附近工作的操作人员提供意外触电保护所有的接线均位于正面功率单元的冷却系统通过温度传感器来监控com 西门子6RA70的硬件组成 1 组成装置的电路板电子板上面包括CPU程序存储器EEPROMRAM 简易操作面RS232口RS485口 以及其它一些外围接口 触发板有脉冲变压器负载电阻 分流电阻稳压电源等功率扳有可控硅电流互感器等 2 电源部分 主回路电源由1Ul1V11W1端接入主回路电源进线电抗器接入装置单独使用一台整流变压器时 可不用进线电抗器主回路电源电压有以下四个等级3AC 4OOV3AC 575V3AC 690V3AC 830V 电流等级30A到2000A 励磁电流3-40A电枢回路电动机连接端子为1C1ID1装置的工作电源根据接线端子5N1 5Wl 5UI的不同可接交流4O0V或230V的电源装置的工作电源无相序要求端子3U13W1为交流励磁侧电源为单相交流400V对应的励磁直流侧输出端子为3C3D装置采用强迫风冷 3 速度信号 速度信号既可以是模拟信号也可以是数字信号 4 模拟信号输入端输出端 有四路模拟信号输人端口其中2路输人信号既可为O到正负lOV的电压信号也可为420mA的电流信号四路模拟信号输出端口输出的信号为O到正负10V的电压信号 最大2mA的电流信号 5 输入端子输出端子开关量端口可分两大类 固定功能的开关量端子和可设置的开关量功能可设置的开关量端都有一参数来定义该端子的功能com 西门子6RA70的工作原理 6RA70在其内部有两台高效能的微处理器承担电枢和励磁回路所有的调节和传动控制功能调节功能在软件中通过参数构成的程序模块来实现它含有连接器开关量连接器结合点参数组的转换BICO数据组的转换系统包括两个环内环是电流控制环外环是转速控制环每一个环都含有一个调节器 速度环ASR和电流凋节器ACR 它们是比例一积分 PI 环节或比例一积分一微分 PID 环节电流控制环在系统中是一个从属环速度调节器输出的最大值通常与系统允许最大工作电流值相适应从而在突加给定时起动电流保持在最大值并使系统有最大的加速度起动时间最短由于电流控制环中不包括电动机机械惯量因此其快速性较好当电网电压发生突变或机械负载突然发生很大变化时能很快进行控制恢复时间较短当负载电流超出允许最大电流值电流调节器使变流器的输出迅速下降电动机进入堵转状态起到限流保护作用这种双环系统的缺点是在电枢电流断续时机械特性变软系统放大系数急剧降低电流调节器动态品质恶化可能会使转速凋节环不能正常工作调堆调磁独立控制系统是指在这种系统中电动机的励磁受电动机电枢的控制这种方案一般多用在由直流发电机供电的晶闸管励磁系统中独立控制系统例系统由发电机电枢电压调节和电动机励磁电流调节两个独立的闭环系统组成而用一个给定积分器GI给出转速信号并通过速度分配器BVD来实现先升压后弱磁和先增磁后降压的加减速过程负载调节是将电流截止反馈信号通过BC2入到转速给定积分器中去从而保证了当负载过大时先使电动机增磁 当工作在高于基速时 后降低发电机电压以充分利用电动机的过载能力电压闭环由电压调节器AUR发电机励磁电流调节器AMCR可逆晶闸管励磁装置直流装置直流发电机及相应的反馈和检测环节构成电动机励磁电流闭环由磁通凋节器AMR晶闸管励磁装置及相应的反馈和控制环节组成这两个闭环彼此独立速度分配器有两个输出信号一个作为电压调节器的给定信号另一个则输到磁通调节器作为弱磁信号在基速以下弱磁信号为零电动机磁场电流保持在额定值实现基速以下只改变发电机电枢电压来调速当速度给定值高十基速时BVD输入到电压调节器的给定值处与饱和状态但同时向磁通凋节器输入一个弱磁信号使电机励磁电流下降以实现基速向高速的恒功率调速制动过程与上述过程相反磁通变换器BM是一台函数发生器它的特性除了要考虑电机磁化曲线中励磁电流与电机磁通的非线外还要考虑电机转速与电机磁通的双曲线6RA70系列整流装置出厂时已经做了参数设定选用自优化过程可支持调节器的设定通过专门的关键参数进行自优化选取例如电流调节器的优化转速调节器的优化等等6RA70还有一系列故障诊断程序模拟量及开关量输入输出以及支持USS通信协议装置对装置一通信协议章 PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差在单闭环调速系统中只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的但它只是在超过临界电流值以后靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击并不能很理想地控制电流的动态波形带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动时的电流和转速波形如图2-1a 所示当电流从最大值降低下来以后电机转矩也随之减小因而加速过程必然加长对于象龙门刨床可逆轧钢机那样经常正反转运行的调速系统尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素为此在电机最大电流 转矩 受限的条件下希望充分利用电机的允许过载能力最好是在过渡过程中始终保持电流为允许的最大植使电力拖动系统尽可能的用最大的加速度起动到达稳态转速后又让电流立即降低下来使转矩马上与负载相平衡从而转入稳态运行这样的理想起动过程波形示于图2-1b 这时起动电流呈方波而转速是线性增长的这是在最大电流受限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程a 带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程b 理想快速起动过程图2-1 调速系统起动过程的电流和转速波形实际上由于主电路电感的作用电流不能突跳图2-1b 所示的理想波形只能得到近似的逼近不能完全实现为了实现在允许条件下最快起动关键是要获得一段使电流保持在最大值的恒流过程按照反馈控制规律采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程32 转速电流双闭环调速系统com 转速电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用在系统中设计了两个调节器分别调节转速和电流二者实行串级联接如图2-2所示这就是说图2-2 转速电流双闭环调速系统把转速调节器的输出当作电流调节器的输入再用电流调节器的输出去控制晶闸管整流器的触发装置从闭环结构上看电流调节环在里面叫内环转速调节环在外边叫做外环这样就形成了转速电流双闭环调速系统图2-3 双闭环调速系统的电路原理图为了获得良好的动静态性能双闭环调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器其原理图示于图2-3在图上标出了两个调节器输入输出电压的实际极性它们是按照触发装置GT的控制电压为正电压的情况标出的并考虑到运算放大器的倒相作用两个调节器的输出都是带限幅的转速调节器ASR的输出限幅 饱和 电压是它决定了电流调节器给定电压的最大值电流调节器ACR的输出限幅电压是它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值com 双闭环调速系统的稳态结构和静特性为了分析双闭环系统的静特性必须先绘出它的稳态结构图如图2-4它可以很方便地根据图2-3的原理图画出来只要注意用带限幅的输出特性表示PI调节器就可以了分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态-转速反馈系数 电流反馈系数-4 双闭环调速系统稳态结构图特征一般存在两种状况饱和输出达到限幅值不饱和输出未达到限幅值当调节器饱和时输出为恒定值输入量的变化不再影响输出除非有反向的输入信号使调节器退出饱和换句话说饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系相当于使该调节环开环当调节器不饱和时PI作用使输入偏差电压在稳态时总是零实际上在正常运行时电流调节器是不会达到饱和状态的因此对于静特性来说只有转速调节器饱和与不饱和两种情况 1 转速调节器不饱和这时两个调节器都不饱和稳态时它们的输入偏差电压都是零因此 n 由第一个关系可得n 2-1 从而得到图3-5静特性的n0-A段与此同时由于ASR不饱和 从上述第二个关系式可知 这就是说n0-A段静特性从 0 理想空载状态 一直延续到 而一般都是大于额定电流的这就是静特性的运行段图2-5 双闭环调速系统静性 2 转速调节器饱和这时ASR输出达到限幅值转速外环呈开环状态转速的变化对系统不再产生影响双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统稳态时 2-2 式中最大电流是由设计者选定的取决于电机的容许过载能力和拖动系统容许的最大加速度式 2-2 所描述的静特性是图2-5中的A-B段这样的下垂特性只适合n 的情况因为如果n则ASR将退出饱和状态双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差这时转速负反馈起主要调节作用当负载电流达到后转速调节器饱和电流调节器起主要调节作用系统表现为转速无静差得到过电流的自动保护这就是采用了两个PI调节器分别形成内外两个闭环的效果这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性好然而实际上运算放大器的开环放大系统并不是无穷大特别是为了避免零点漂移而采用图2-5那样的准PI调节器时静特性的两段实际上都略有很小的静差如图2-5中虚线所示com 双闭环调速系统的动态性能 1 动态数学模型在单闭环调速系统动态数学模型的基础上考虑双闭环控制的结构 图2-3 即可绘出双闭环调速系统的动态结构图如图2-6所示图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数为了引出电流反馈电动机的动态结构图中必须把电枢电流显露出来图2-6 双闭环调速系统的动态结构图前面已经指出设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程 图2-1b 因此在分析双闭环调速系统的动态性能时有必要首先探讨它的起动过程双闭环调速系统突加给定电压由静止状态起动时转速和电流的过渡过程示于图2-7由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和饱和退饱和三个阶段整个过渡过程也就分成三段在图中分别标以和第阶段0是电流上升的阶段突加给定电压后通过两个调节器的控制作用使都上升当后电动机开始转动由于机电惯性的作用转速的增长不会很快因而转速调节器ASR的输入偏差电压 数值较大其输出很快达到限幅值强迫电流迅速上升当时电流调节器的作用使不再迅猛增长标志着这一阶段的结束在这一阶段中ASR由不饱和很快达到饱和而ACR一般应该不饱和以保证电流环的调节作用是恒流升速阶段从电流升到最大值开始到转速升到给定值 即静特性上的 为止属于恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段在这个阶段中ASR一直是饱和的转速环相当于开环状态系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统因而拖动系统的加速度恒定转速呈线形增长 图7 与此同时电动机的反电动势E也按线形增长对电流调节系统来说这个反电动势是一个线形增的扰动量图6 为了克服这个扰动和也必须基本上按线形增长才能保证Id恒定由于电流调节器ACR是PI调节器要使它的输出量按线形增长其输入偏差电压 必须维持一定的恒值也就是说应略低于此外还应指出为了保证电流环的这种调节作用在起动过程中电流调节器是不饱和的同时整流装置的最大电压也须留有余地即晶闸管装置也不应饱和这些都是在设计中必须注意的图2-7 双闭环调速系统启动时的转速和电流波形第阶段t2以后是转速调节阶段在这阶段开始时转速已经达到给定值转速调节器的给定与反馈电压相平衡输入偏差为零但其输出却由于积分作用还维持在限幅值所以电动机仍在最大电流下加速必然使转速超调转速超调以后ASR输入端出现负的偏差电压使它退出饱和状态其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来主电流也因而下降但是由于仍大于负载电流在一段时间内转速仍继续上升到 时转矩 则 0转速n达到峰值t 此后电动机才开始在负载的阻力下减速与此相应电流也出现一段小于的过程直到稳定设调节器参数已调整好在这最后的转速调节阶段内ASR与ACR均不饱和同时起调节作用由于转速调节在外环ASR处于主导地位而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量或者说电流内环是一个电流随动系统随着ASR的饱和与不饱和整个系统处于完全不同的两种状态当ASR饱和时转速环开环系统表现为恒值电流调节的单闭环系统当ASR不饱和时转速环闭环整个系统是一个无静差调速系统而电流内环则表现为一个电流随动系统在不同的情况下表现为不同结构的线性系统这就是饱和非线性控制的特征决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统可以采用分段线性化的方法来处理分析过渡过程时还必须注意初始状态前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态如果初始状态不同即使控制系统的结构和参数都不变过渡过程还是不一样的 准时间最优控制起动过程中最只要的阶段是第阶段即恒流升速阶段它的特征是电流保持恒定一般选择为允许的最大值以便充分发挥电机的过载能力使起动过程尽可能最快这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制或称时间最优控制但整个起动过程与图2-1b 的理想快速起动过程相比还有一些差距主要表现在第两段电流不是突变不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的成分已无伤大局所以双闭环调速系统的起动过程可以称为准时间最优控制过程如果一定要追求严格最优控制控制结构要复杂得多所取得的效果则有限并不值得 转速超调由于采用了饱和非线性控制起动过程结束进入第段即转速调节解答后必须使转速调节器退出饱和状态按照PI调节器的特性只有使转速超调ASR的输入偏差电压为负值才能使ASR退出饱和这就是说采用PI调节器的双闭环条速系统的转速动态响应必然有超调在一般的情况下转速略有超调对实际运行影响不大如果工艺上不允许超调就必须采取另外的控制措施图2-8 双闭环调速系统空载起动的断续电流波形8 从而加剧了转速的振荡使过渡过程拖长这是又种非线性因素造成的一般来说双闭环调速系统具有比较满意的动态性能 动态跟随性能如上所述双闭环调速系统咱起动和升速过程中能够在电流受电机过载能力约束的条件下表现出很快的动态调速性能在减速过程中由于主电路电流的不可逆性跟随性能变差对于电流内环来说在设计调节器时应强调有良好的跟随性能 抗扰性能 负载扰动负载扰动作用在电流环之后只能靠转速调节器来产生抗扰作用因此在突加减 负载时必然会引起动态速降升 为了减少动态速降 升 必须在设计ASR时要求系统具有较好的抗扰性能指标对于ACR的设计来说只要电流环具有良好的跟随性能就可以了电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构中作用的位置不同系统对它的动态抗扰效果也不一样例如图2-9a 的单闭环调速系统中电网电压扰动和负载电流扰动都作用在被负反馈包围的前向通道上仅就静特性而言系统对它们的抗扰效果是一样的但是从动态性能上看由于扰动作用的位置不同还存在着及时调节上的差别负载扰动作用在被调量n的前面它的变化经积分后就可被转速检测出来从而在调节器ASR上得到反映电网电压扰动的作用点则离被调量更远它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流在经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来等到转速反馈产生调节作用晚在双闭环调速系统中由于增设了电流内环 9b 这个问题便大有好转由于电网电压扰动被包围在电流环之内当电压波动时可以通过电流反馈得到及时的调节不必等到影响到转速后才在系统中有所反应因此在闭环调速系统中由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小多单闭环调速系统b 双闭环调速系统图2-9 调速系统的动态抗扰作用 两个调节器得作用综上所述转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可以归纳如下I 转速调节器的作用使转速n跟随给定电压变化稳态无静差对负载变化起抗扰作用其输出限幅值决定允许的最大电流II 电流调节器的作用对电网电压波动起及时的抗扰作用起动时保证获得允许的最大电流在转速调节过程中使电流跟随其给定电压变化当电机过载甚至于堵转时限制电枢电流的最大值从而起到快速的安全的保护作用如果故障消失系统能够自动恢复正常33 本章小结本章以介绍转速电流双闭环调速系统为重点说明了多闭环控制的特点和控制规律首先介绍这种系统的组成及其静特性阐述它的动态数学模型并就起动和抗扰两个方面分析转速电流两个调节器的作用并介绍了逻辑控制的无环流可逆调速系统的组成及其工作原理第4章 西门子6RA70的主要功能和参数设置41 西门子6RA70主要功能简介 1 转速实际值可选择功能1 模拟测速机测速发电机对应最大转速的输出电压允许在8-270V范围内2 脉冲编码器脉冲编码器的类型每转的脉冲数及最大转速由参数设定3 具有反电动势控制的无测速机系统 本系统采用 反电动势控制不需要测速装置只需测量SIMOREG的输出电压测出的电枢电压经电机内阻压降补偿处理补偿量的大小在电流调节器优化过程中自动确定4 自由选择转速实际值信号在这种工作方式下可任选一个连接器编号作为转速实际值信号 2 斜坡函数发生器调节功能斜坡函数发生器使跳跃变化的给定值输入变为一个随时间连续变化的给定信号加速时间和减速时间可以分别设定另外斜坡函数发生器在加速时间开始和终了有效情况下可设定开始圆弧和终了圆弧斜坡函数发生器的所有时间可分别设定 3 转速调节器调节功能转速调节器将转速给定值与实际值进行比较根据它们之间的差值输出相应的电流给定值送电流调节器 4 转矩限幅功能通过参数设定可分别设定正负转矩极限最小设定值总是作为当时转矩限幅 5 电流限幅功能在转矩限幅器之后的可调电流限幅器用来保护整流装置和电机最小设定值总是作为电流限幅 6 电流调节器功能电流实际值通过三相交流侧的电流互感器检测经负载电阻整流再经模拟数字变换后送电流调节器电流限幅器的输出作为电流给定值电流调节器负责调节电枢电流使电流实际值等于给定值 7 参数优化功能通过参数设定可对电流调节器转速调节器等单元进行参数优化 8 监控与诊断功能装置运行状态及调节系统信号均可显示每个故障信号都有一个编号此外对于故障信息存储了事件发生的时间以便能尽快找出故障原因另外还有电机过热电机传感器传动装置等的报替信号以确保系统安全运行 9 输入和输出口功能装置还设有模拟盘和开关量输入输出口以引出或输入相关信号42 西门子6RA70部分功能参数设置在电子板电源电压被接通后PMU 要么在运行显示状态并且指示SIMOREG 6RA70 当前的运行状态 例如o70 要么就在故障报警状态并显示一个故障或报警号 例如F021 1要从运行显示状态 例如o70 进到参数号状态按P 键然后按上升键或下降键选择各个参数号2 从参数号到变址参数 对于变址参数 按P 键然后按上升或下降键选择各个变址参数当显示的是一个非变址参数时如果按P 键将直接进到参数值3 从变址参数 对于变址参数 进到参数值状态按P 键4 在参数值状态通过按上升或下降键改变设定参数的数值OFF2 断电 OFF2 信号是低电平有效 逻辑0状态 断电 可能的运行方式如下P648 9控制字1中的控制位为输入位串行OFF2是由从P655P656 和P657 所选择的开关量连接器间通过与操作产生的 P6489由P648选择的连接器被作为控制字1来使用这个字的第1 位则控制OFF2 功能 2 OFF3 快速停车 OFF3 信号是低电平有效 逻辑0状态 快停 可能的运行方式如下P648 9控制字1中的控制位为输入位连续输入OFF3是由从P658P659和P660所选择的开关量连接器间通过与操作产生的P6489由P648选择的连接器被作为控制字1来使用这个字的第2位则控制OFF3功能6RA70直流调速装置实验板图如下 3 合闸分闸 ON OFF 端子37 合闸分闸功能是通过ONOFF1合闸指令控制的端子37 如图 的信号与由参数P654所选择的开关量连接器信号之间与并且连接器的第0位在P648中选择为控制字可能的运行方式如下P648 9控制字1中的控制位为位连续输入ONOFF是ONOFF1 合闸指令控制的P6489由P648 选择的连接器被作为控制字1 来使用这个字的第0 位与ONOFF1 合闸指令与以产生ONOFF指令 ON 只在两个信号均为逻辑1 P445 0ONOFF1 合闸指令是由端子37 来的信号和由P654 中选择的开关量连接器通过与操作而生成 0 分闸1 合闸 P445 1ONOFF1 合闸指令的沿触发在0至1转换时存储合闸指令在P444 中选择的开关量连接器必须为逻辑1状态当这个开关量连接器转换到逻辑0状态时存储器复位 4 运行使能端子38使能信号是搞电平有效 逻辑1 使能 可能的运行方式如下P648 9控制字1中的控制位为位连续输入运行使能指令是由端子P6499在P648 中选择的连接器用做控制字1这个连接器的第3 位与由P648 9 生成的信号与而产生运行使能信号com 点动爬行安全停车点动功能可以通过由参数P435的变址01至08选择的开关量连接器来设置或通过控制字1的第8和第9位设置 当选择使用控制字时以下为可能的运行模式P648 91中的控制位为位连续输入由P668和P669选择的开关量连接器定义了控制字1的第8位和第9位因而作为点动指令的输入P6489P648选择的连接器作为控制字1这个字的第8位和第9位控制了点动指令的输入点动功能只在有分闸和运行使能指令时才可以执行点动指令当一个或多个指定的源 开关量连接器控制字位 变为逻辑1状态时输入在这种情况下在参数P436 中选择的给定被分配给每一个源如果点动指令同时由二个或二个以上的源输入则点动给定设为0参数P437可以作为定义每一个可能的点动指令的源的设置不论如何斜坡函数发生器必须旁路当斜坡函数发生器旁路后他以上升下降时间为0运行输入点动指令的操作顺序如果输入了点动指令通过进线接触器闭合继电器使进线接触器合闸点动给定通过斜坡函数发生器施加 撤消点动指令的操作顺序n 后调节器禁止并且在0到60s的参数延时 P085 到达后 运行状态070或更高 进线接触器打开当驱动装置在参数延时周期 最大600s 时间到时仍处在运行状态013爬行功能可在运行状态o7下激活并且有运行使能信号进入运行状态当由P440选择的一个或多个开关量连接器转换到逻辑1时输入爬行指令一个由参数P441选择的给定分配给每一个开关量连接器如果爬行指令是通过多个开关量连接器同时输入给定值是叠加关系 限制到200 参数P442可以作为定义每一个可能的爬行指令的源 开关量连接器 的设置不论如何斜坡函数发生器必须旁路当斜坡函数发生器旁路后他以上升下降时间为0运行输入爬行指令的操作顺序o7输入爬行指令通过进线接触器闭合继电器使进线接触器合闸爬行给定通过斜坡函数发生器施加如果在运行状态下输入爬行指令驱动装置通过斜坡函数发生器从工作速度减速到爬行速度如果所有对于爬行功能有效的位均转换到逻辑0在n 到达后调节器禁止进线接触器断开 运行状态o70或更高 如果所有对于爬行功能有效的位均转换到逻辑0并且运行状态运行的条件仍然满足则驱动装置通过斜坡函数发生器从设置的爬行给定速度加速到运行速度E-STOP功能使控制主接触器的继电器接点 端子109110 在约15ms时间内断开而与半导体器件和微处理器 主电子板 的功能状态无关当主电子板工作正常时经由调节系统在I 0时输出命令使主接触器在电流为零时断开启动E-STOP后传动装置自由停车下列几种方法可用于使E-STOP功能激活- 开关操作接在端子105106之间的开关断开使E-STOP功能激活- 按钮操作接在端子106107之间的常闭接点断开使E-STOP功能激活并带停车保持接于端子106108之间的常开接点闭合使该功能复位当E-STOP功能复位后传动系统处于启动封锁状态必须通过操作停车功能例如断开端子37进行复位44 本章小结 本章介绍了西门子公司产品SIMOREG DC Master 6RA70系列给出了其硬件组成和主要参数设置重点说明了它的几种特殊模块第五章 基于6RA70直流调速系统的实验51 实验室整流器的型号及技术数据com 整流器的型号订货号 1P6RA7013-6DV62-O-Z 序列号 K01G95S00K00K11 工厂编号 SZYR21505600003电枢输入 3AC 400V 13A 5060HZ电枢输出 DC -420420 15A负载等级 Class Class 134A 励磁输入 2AC 400V 3A 5060HZ励磁输出 DC 325V 3A冷却方式 自冷com 技术数据电枢额定电压 V 3AC 400 15-20 电枢额定输入电流 A 13电子电路电源额定供电电压 V 2AC 380 -25 460 15 In 1A或1AC 190 -25 230 15 In 2A -35 1分钟 励磁额定电压 V 2AC 400 15-20 额定频率 Hz 4565额定直流电压 V 420额定直流电流 A 15过载能力 最大为额定电流的180额定输出 Kw 63额定直流电流下的功耗 大约 W 117励磁额定直流电压 V 最大325励磁额定直流电流 A 3运行环境温度 045 额定 自冷安装海拔高度额定直流电流下1000m控制精度n 0006的电机额定转速是对于脉冲编码器和数字给定而言n 01的电机额定转速是对于模拟测速机和模拟给定而言环境等级 DIN IEC 721-3-33K3DIN EN 60529IP00 HWD mm385265239重量 约 kg 11com 实验室电动机的参数型号 ZD 20020-200额定功率 200W额定电压 220V额定转速 2000rmin额定电枢电流06A等级 E级com 实验设备图图5-1 实验室设备图图5-2 6RA70调速装置内部结构实物图52 参数设置com 参数类型参数化是通过操作面板更改设定值 参数 激活整流器功能或显示测量值的过程基本整流器的参数称为PRUFB或K参数P参数为设定参数可读可写R参数为只读参数用于观察实时数据U参数为自由功能模块如乘法器门电路等F参数为故障参数用以显示故障状态B参数为开关量连接器表示逻辑状态如01K参数为连接器用以连接各种功能块基本整流器参数首先显示在PMU上然后显示工艺板 如果已装入 的参数根据参数P052设置值不同仅显示若干参数号显示参数用作当前量的显示例如主给定值电枢电压速度调节器的给定与实际值偏差等等显示的参数值为只读数值并不能修改设定参数既作为显示量又作为改变量例如电动机额定电流电动机热时间常数及速度调节器的P增益等等变址参数既作为显示量又作为改变赋值给同一参数编号的几个参数值的量com 参数设置途径 1 通过PMU面板设置在电子板电源电压被接通后PMU要么在运行显示状态并且指示SIMOREG 6RA70当前的运行状态 例如o70 要么就在故障报警状态并显示一个故障或报警号 要从运行显示状态进到参数号状态按P键然后按上键或下降键选择各个参数号 从参数号到变址参数 对于变址参数 按P键然后按上升或下降键选择各个变址参数当显示的是一个非变址参数时如果按P键将直接进到参数值 从变址参数 对于变址参数 进到参数值状态按P键 在参数值状态通过按上升或下降键改变设定参数的数值 手动移位如果5位7段显示器不足以显示一个参数值显示器首先只显示5位为了显示隐藏在这个窗口的左侧或右侧的数左侧或右侧的位闪烁通过按P键下降键或P键上升键可以将窗口移位到参数值的其他位发光二极管的功能准备准备运行在等待允许运行状态亮运行在允许