西门子伺服电机1FL6044-2AF21-1LB1

西门子伺服电机1FL6044-2AF21-1LB1

阐述了西门子Simovert S 同步电动机自控变频系统的主回路结构、控制系统组成及工作原理，给出了软启动系统工作的时序逻辑，对主要控制功能进行了分析，并就采用一拖二方式在济钢1 750 m3高炉风机上的典型应用进行了介绍。   

1 概述

根据电网优化运行的要求，对于调速范围小的大型风机、水泵一般采用同步电动机，以便运行时可以向电网补充容性无功。由于这类风机、水泵一般都是几十MW 以上**大容量的，必须采用软启动设备以减少大型电机启动过程中对电网和所传动设备的冲击。用于同步电动机的软启动装置主要有液体可调电阻启动、磁饱和电抗器启动、开关变压器启动、变频启动。**种在原理上都是异步降压启动后再牵入同步，由于同步电动机做短时异步运行需要一些特殊设计如整体较靴或增加阻尼笼条，且要严格遵守启动时的热容量限制，加之异步降压启动时由于电机的启动转矩与电压的平方成正比而导致实际启动力矩不足，经常会因为转页式风门关不严或设备长期停用后要求的静止启动转矩增大等原因使电机无法正常启动，而且为了保证足够的启动力矩，电机的启动电流一般会达到额定电流的2.5～3.0 倍。

因此对于大型同步电动机的软启动目前普遍采用的仍然是由电流源型交—直—交变频器构成的变频启动方式。由于它基于磁场定向控制原理，并采用速度闭环调节，可以有效保证电机的启动力矩，且启动电流一般不**过电机的额定电流，实现了对电网和传动设备的无冲击启动，甚至可以用于风机、水泵类负载的调速运行。这种启动方式是基于自控同步原理实现的，不进入异步运行状态，不会对电机的转子侧产生热应力。针对这一主流软启动方式，世界各大电气公司都有类似的产品，其中Siemens公司更是针对这一启动方式，基于设计尽量简单、应用尽量可靠的思想，对适于这种传动方式的同步电动机和变频装置进行了整体优化设计，这就是H-moflex、H-modyn系列高压电机和Simovert S系列变频器。

济南钢铁集团有限公司现有的3座1 750 m3高炉风机、2套燃气—蒸汽联合循环发电用的煤压机及2 座2 万m3 制氧机的空压机的软启动均采用了Simovert S系列自控变频启动装置，两年多的实践表明该软启动装置故障率低、可用性好、硬件配置合理，基本实现了免维护运行。

2 主回路组成和工作原理

Simovert S 变频器是专为同步电动机调速运行开发的全数字变频装置，功率单元采用了晶闸管三相桥式电流源型变频器，分为6 脉冲和12 脉冲两种。在1 750 m3高炉风机的软启动系统中，采用了12脉冲的功率单元结构和高—低—高的电压变换方法。在电流源型逆变器的直流耦合电抗器设计上，采用了Siemens 的**———两个独立直流母线的电抗器反向耦合的技术。采用这种电路结构的直流母线电抗器只有传统额定功率电路结构所采用直流母线电抗器体积的60%，使得电抗器的体积和损耗大为减少，并可以实现柜内安装。

由于采用电流型逆变器，功率回路无熔断器设计，而采用电抗器反向耦合及脉冲监控触发和经特殊设计的整流侧脉冲开放逻辑，使得即使不在直流平波电抗器两侧并联释能晶闸管，也能够保证在电流断续换相时使变频器电流快速拉到零，从而大大简化了主电路结构和控制线路，提高了系统的可靠性。

同步电动机自控变频的核心就是转子定向，以前都是采用在电机转子上安装编码器的方法直接测量，但这样对设备安装要求、调试及系统的可靠性都带来了不稳定因素，为此Siemens公司采用了矢量运算的方法，通过采用LEM元件高精度地检测电机侧的两相电压和两相电流后，高速时通过电压模型便可以准确计算隙磁通的位置，但在低速时要计算转子侧磁通的位置，还需要知道电机转子的初始位置，在Simovert S 系统中，电机转子的初始定位是系统利用转子侧突加励磁在定子绕组中感应的电压进行计算后自动完成的。当电机低速运行时，由于电机的反电势和电压较低，用电压模型计算磁通位置是不准确的，由于定向的不准确，会造成电机启动力矩的减少，如果电机是重载启动或设备要求电机长期在低速条件下运行，就需要在电机转子上安装编码器。

启动转矩产生的基本原理是基于对转子侧磁通的定向，按照矢量控制理论中力矩星形分布情况，判断每一触发时刻能产生较大加速力矩的两相定子电流，触发该对晶闸管导通，使对应的两相定子绕组通电，产生一个**前转子磁场的同步定子磁场，两个磁场相互作用，使转子获得当前电流下的较大电磁转矩，转子开始转动，整流器采用速度和电流双闭环结构控制输出电流的幅值，逆变器采用矢量控制技术跟随输出的频率。

由于采用常规的晶闸管构成功率变换回路，所以影响主回路可靠运行的关键是晶闸管的可靠换相。在Simovert S系统中，整流侧的晶闸管依靠电网电压换相，逆变侧的晶闸管依赖电机定子的反电势进行负载换相。但低速时（小于额定转速的8%）由于定子产生的反电动势不足以关断逆变侧的晶闸管，故采用电流断续法进行换相，此时逆变器以**前角酌=0°运行以保证当前电流下的输出转矩较大，需要换相时，整流侧推茁，暂时强迫关断正导通的一对晶闸管，闭锁整流器和逆变器的输出，再给换相后应该导通的一对晶闸管加上触发脉冲使其导通，从而实现换相，此期间逆变侧输出的电流是断续的；当转速大于额定值的8%时，同步电动机可产生足够大的反电动势，进入负载换相阶段，为了保证换相余量角不变，在转速由额定值的8%升至25%期间，变频器的输出电流由额定值的80%升至额定值，**前角酌=60°；之后逆变器输出额定电流值，**前角酌=50°，同时转子侧的励磁电流按照定子电压闭环进行控制，以补偿定子电流电枢反应的去磁作用，保持气隙磁通不变，从而改善了逆变侧的换相条件并保证了电机的过载能力。

当变频装置拖动电机启动达到95%额定转速以上时，起动自动同步装置，进入自动整步微调阶段。同步装置根据频率差Δf，产生一个附加转速微调信号，自动调整变频器输出电流，对转速做微调；根据电压差Δu，同步装置发出命令给励磁系统，调节励磁电流，使变频母线电压与电网电压平衡。当电网和变频母线两侧的电压、频率、相位的偏差都满足同步装置中设置的并网条件后，MBL 合闸实现无电流冲击并网，然后整流器的晶闸管即运行于全逆变状态，其输出电流迅速降为零，关闭晶闸管，然后封锁整流器和逆变器的全部触发脉冲，断开软启动装置的输出断路器MBM及输入断路器MBC，完成整个起动过程。

变频器所驱动的高压同步电动机采用了无刷励磁结构，采用具有三相交流调压功能的全数字化装置Simotras HD供电，励磁功率的传输是通过磁耦合和励磁机定转子间的相对运动实现的，值得注意的是，系统要求励磁机定子侧正确接线，保证由励磁机定子电流所形成的定子旋转磁场方向与同步电动机转子的实际旋转方向相反，实现励磁功率的正常传递。

矢量运算模型所需要的电机侧的电压电流信号均取自升压变压器的输入侧，为了避免升压变压器的剩磁影响到同步电动机转子初始位置定向的准确性，每次软启动结束后，都由一台西门子6SE70系列变压变频装置Simovert Mastdriver VC 完成对升压变压器的消磁工作。

为了进一步提高系统的可靠性，晶闸管的触发采用了高电位板TAS21A 进行脉冲隔离放大，触发功率直接取自主回路的缓冲电路阻容缓冲电路，并采用了由SE48.1+IMPAG4+SAV21 组成的晶闸管触发和监控单元，实现了高低压回路的光耦隔离。脉冲触发的监控逻辑主要由接口模板SE48.1完成，对误触发的有效监控保证了晶闸管触发的可靠性及因晶闸管损坏或触发脉冲丢失等原因所造成的功率单元灾难。

在济钢1 750 m3高炉风机的软启动设计中，采用了一拖二的配置，即通过两套励磁和一套软启动功率柜实现对两台25MW风机电机的分时启动。系统主回路配置和供电系统原理如图1和图2示所示。

3 控制系统组成及各部分的主要功能

控制系统主要由S7-300 工作站和SFC 组成，S7-300 工作站主要负责电机的励磁和运行控制，SFC 完成软启动过程中所涉及的所有设备的控制，包括断路器MBC、MBM、MBL的分合，励磁电流的设定计算，电机的速度控制、电流调节，整流和逆变部分触发脉冲的形成、监控，软启动过程中的故障诊断及保护。系统设计上S7-300工作站和SFC 部分的功能相对独立，当软启动结束后，由S7-300 接管电机的运行控制，此时即使SFC部分断电也不会影响到电机的正常运行。

SFC 部分的硬件采用Simadyn-d通用控制器，它采用多处理器并行处理方案，较大总线周期＜1 滋s，处理器的典型循环扫描时间＜0.5 ms，适合完成快速和复杂的控制任务,如液压AGC 系统、SVC 系统和传动级控制。硬件主要有处理器板、通讯板、通讯缓冲板、脉冲触发板、信号接口模板、输入输出板等。Simadyn-d系统采用全图形式的编程语言Struc G进行软件设计开发。功能块是软件设计的较小组态单位，包括逻辑块、算术块、诊断块、信号转换块、I/O块和通讯块等。一个功能块即一个子程序，相当于硬件设计中的集成电路。只需要用鼠标从图形库中选择预先编制好的功能块，将各功能块相互连接并设定参数，即构成实现一定的系统控制功能的软件功能包，系统调试采用IBS、Drivemonitor等在线监控和软件完成。

3.1 SFC部分

软启动的核心，主要包括A100 和A200 两个机架，各机架的主要控制功能如下：

1）A100 机架24槽，4个处理器，主要完成变频器本体的电流闭环控制、脉冲形成与监控，各处理器的功能包设计如下。

（1）D01-P1 PM6

FP-AST 完成与传动有关的顺序控制，如控制器的使能、运行模式的切换等。FP-ERW 以电压闭环方式完成励磁电流设定值的计算。

FP-EAL 综合来自顺序控制功能包、操作员控制功能包及通讯控制功能包的控制字，实现逻辑控制功能和软启动的启/停综合控制。FP-UHR 用于启动系统时钟同步功能。

（2）D05-P2、D07-P3PG16

FP-MN1、FP-MN2控制电流型逆变器的整流侧电流，完成传动的转矩控制，包括实际值的处理、闭环电流控制，逻辑无环流及门较脉冲发生。

（3）D09-P4 PS16

完成矢量运算和SE21.2接口模块、TS12脉冲触发模板一起完成对电机侧逆变器的控制，同

时TS12 还接受来自SE48.1 和SE21.2 的故障信号，通过PG16 完成故障时推茁灭电流控制。

FP-SMS 矢量控制功能包，完成对逆变器负载换相的矢量控制及监视，低速运行时断续换相触发脉冲的控制及监视，主要包括电压模型（FB-UMS）、实际值处理（FB-IST）、反电势补偿计算（FB-OFC）、触发角计算（FB-ALB）等功能块。

2）A200 机架12 槽，1个处理器，主要完成电机的速度闭环控制及与S7-300工作站的通讯，包括D01-P1 PM6FP-NRG 完成软启动过程中的速度给定和闭环调节。

FP-WRG 电网电压前馈补偿。

FP-ANF 实现励磁装置的使能命令及励磁电流给定值的下传、与自动同步装置交换控制信号，实现对变频侧母线电压和频率的控制，完成并网过程。FP-DIA 记录Simovert 软启动过程的状态，实现软启动系统的故障诊断。

3.2 S7-300工作站

以MMIP连接柜的S7-300 为主站，连接系统1励磁柜MMCP1 的S7-300 和系统2 励磁柜MMCP2的S7-300及SFC 柜的A200机架组成，主要完成正常运行时励磁电流外环的PID控制，启动同步并网过程，MBC、MBM、MBL 断路器的分合闸顺序控制，与OP17操作面板的通讯接

口，与励磁装置Simotras HD 的通讯接口，与SFC 的通讯接口。

Simovert S软启动系统启动过程的时序逻辑见图3，控制系统的通讯配置图见图4。

4 结语

1 750 m3高炉风机采用西门子Simovert S 变频器起动的成功率在99% 以上，且启动平稳、稳定，对风机设备传动链冲击小，电机并网基本上无冲击，启动性能明显**传统的起动方法，为实现高炉系统的高利用率和节省大量成本起到了决定性作用。因为启动过程如果中断，高炉必须在装满料的情况下冷却下来，造成近10天以上的时间不能使用

一:控制对象:

4吨蒸汽锅炉 鼓风电机 引风电机 。

二:设备参数:

电机参数: ：鼓风电机功率:5.5 KW 引风电机功率18.5KW

三:控制目的:
    组成良好的燃烧工况，提高燃烧效率。节约燃料和能源。

四:变频控制系统设计工作原理：

本系统可实现开/闭环运行：

1.引风控制：通过炉膛上的负压变送器将炉膛压力标准电信号送入引风变频器PID 控制器的反馈通道,经处理后与设定炉膛负压力比较,经过PID 控制器产生运算信号,此信号控制引风变频器调节电机转速,使炉内负压稳定在设定值,从而达到自动跟踪鼓风保持炉膛负压恒定目的。引风电机速度随着炉膛负压值的变化而变化。即保证锅炉燃烧部分的自动运行。

2.鼓风控制：通过蒸汽管道上的压力变送器将所需蒸汽压力标准电信号送入鼓风变频器PID 控制器的反馈通道,经处理后与设定蒸汽压力值比较,经过PID 控制器产生运算信号,此信号控制鼓风变频器调节电机转速,使蒸汽管道上压力基本稳定在设定值,从而达到自动跟踪蒸汽管道上压力。

3.由于原锅炉为非节能型燃烧方式，控制风量靠人工操作风道挡板，蒸汽压力单靠人工控制燃烧不好。因此电机全速运转产生的风量不能全部使用，采用挡板截流造成约30%的电能损耗。使用变频器可根据生产需求任意调整电机速度，使输出风量可以调节，提高生产工效并且节能降耗。

变频器采用西门子MM430系列。控制系统的起动方式为外部远程人工控制。
调速方式：
1: 为操作工人根据生产情况由外部远程升速/降速按钮 
实现对电机的速度控制。
2：变频器通过端子BICO连接切换为自动PID运行方式。
3：系统还可实现全开环运行，通过控制柜或现场操作箱
上的启停按钮和电位器实现人工控制和调速。

系统的主要连锁：
1.鼓风机运行条件：只有当引风机投入运行后，鼓风机
才允许启动运行。
2.变频和工频连锁。变频运行与原旧工频运行，连锁控
制系统。
3.当变频系统在运行过程中出现故障时,发出声、光报警
信号,提醒值班人员适时处理。

五、系统构成：
1、 锅炉变频改造控制系统原理

配置：GGD控制柜体2200×1000×600 一台
鼓风变频功率: MM430-7.5 KW 引风变频功率MM430-22KW
见下图:

六、变频控制柜技术参数及性能特点：
1.主要技术参数：
（1）主回路电源：三相五线制。380V+10%。
（2）控制回路电压：220V
（3）负压压力传感器调节范围：以保证建立充分燃烧系统为
准。
（4）蒸汽压力传感器调节范围：以生产所需实际为准。
2.系统性能特点：
（1）具备运行方式选择开关：实现变频和工频互锁，工频运行为原控制系统，变频与工频由转换开关转换，并具有互锁保护功能。
（2）具备变频方式下的——本地/远程——选择开关：实现本地电位器人工调速。变频器PID闭环调速方式。
（3）变频软启动：电机通过变频器启动，电机电压采用数字自动斜坡补偿技术， 电 机缓步升速时系统机械冲击小，能显著延长电控元件及风机机械的寿命。
（4）具有完善的电机，及变频器自身保护功能：电机欠电压、再生过压、过流、过载、短路、过热保护等。
（5）具有电源电压、电机电流等柜体仪表显示功能。变频器运行工作状态指示灯显示功能。并能将变频器速度和电机运行电流以0—20mA标准模拟量形式传输给DCS监控系统。
（6）变频器故障报警指示及开关量传输、远程复位功能。

七：变频器的主要调试参数：

八.应用体会：
    使用西门子变频器组成控制系统非常方便。控制非常灵活，尤其BICO互连技术应用起来使设计简单化