西門子6RA70用于電機(jī)試驗臺的分析與仿真
朱坤，張奕黃
(北京交通大學(xué)，北京100044)
摘要：研究了西門子6RA70系列全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)的特點及功能，將其應(yīng)用在實驗室中用于l00kw和400kw兩個功率等級的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的研究性試驗的平臺，并針對試驗臺的需要，對西門子6RA70876GV62的使用方法進(jìn)行詳細(xì)說明，仿真結(jié)果證明該設(shè)備用于電機(jī)試驗臺的可行性。
關(guān)鍵詞：直流調(diào)速系統(tǒng)；電機(jī)試驗臺；仿真
中圖分類號：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：100l4—7018(2008)08—0017—03
0 引 言
目前，隨著測試?yán)碚摰呢S富以及自動測試系統(tǒng)的的應(yīng)用，電機(jī)的測試技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)地發(fā)展。本文所介紹的電機(jī)試驗臺主要用于我實驗室研究的變頻電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。
直流電動機(jī)具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在需要高性能可控電力拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。試驗臺負(fù)載采用直流電機(jī)，由數(shù)字化直流調(diào)速器-西門子6RA70控制負(fù)載電機(jī)完成被試電機(jī)電機(jī)性能試驗。
根據(jù)使用情況，直流傳動通常是成本較低的傳動解決方案，它具有性能可靠、操作舒適和運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點，因此應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。直流調(diào)速裝置有實現(xiàn)成本較低的四象限運(yùn)行，轉(zhuǎn)速較低時持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，即使在轉(zhuǎn)速較低時也能提供全部轉(zhuǎn)矩，較高的起動轉(zhuǎn)矩，在恒功率時有較大的調(diào)速范圍，較小的占地面積和高可靠性等特點。
1試驗臺結(jié)構(gòu)
本試驗臺是主要用于l00kw和400kw兩個功率等級的電動機(jī)和發(fā)電機(jī)的研究性試驗的平臺。由西門子6RA70控制負(fù)載直流電機(jī)實現(xiàn)加載(發(fā)電機(jī)狀態(tài))和反拖(電動機(jī)狀態(tài))。 l00kw和400 kw分別做成兩套機(jī)械臺架，完成電動機(jī)起動特性試驗，空載、負(fù)載、堵轉(zhuǎn)試驗，溫升試驗、變頻電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率試驗等。同時，在負(fù)載直流電機(jī)做發(fā)電機(jī)狀態(tài)時，直流凋速器自動跟蹤三相交流電的相位和頻率，將發(fā)出的電能反饋上電網(wǎng)。
兩套臺架機(jī)械結(jié)構(gòu)完全一樣。每套臺架由被試電機(jī)、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、減速箱、負(fù)載電機(jī)等幾部分組成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
2直流調(diào)速系統(tǒng)
數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)的核心調(diào)速單元選用西門子6RA70。sIMOREG 6RA70系列整流裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字控制裝置，其結(jié)構(gòu)緊湊，用于可調(diào)速直流電機(jī)電樞和勵磁供電，主回路進(jìn)線電壓統(tǒng)一使用3Ac575V，而電樞電壓可以根據(jù)被測對象進(jìn)行設(shè)定，****為600V，****可為10 V；裝置額定電流范圍為15～3000 A，并可通過并聯(lián)sIMO—REG整流裝置進(jìn)行擴(kuò)展，這樣一臺調(diào)速器就可以滿足兩臺電機(jī)的試驗要求。
根據(jù)不同的應(yīng)用場合，可選擇單象限或四象限工作的裝置，裝置本身帶有參數(shù)設(shè)定單元，不需要其它的任何附加設(shè)備即可完成參數(shù)的設(shè)定。所有的控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)視及附加功能都由微處理器來實現(xiàn)。可選擇給定值和反饋值為數(shù)字量或模擬量。利用實驗室原有兩臺直流測功機(jī)：型號為zc423／18—4的100k w電機(jī)，型號為zc493／35-4的400 kw電機(jī)，且因為試驗臺需實現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，經(jīng)過參數(shù)比較選用西門子6RA7087-6Gv62。其技術(shù)參數(shù)
如下：
電樞額定電壓：3Ac575 V(+百分之10／-百分之20)
電樞額定輸入電流：705A
勵磁額定電壓：2Ac460 V(+百分之10／百分之20)
額定直流電壓：600 V
額定直流電流：850 A
額定勵磁直流電壓：****375 V
額定勵磁電流：30 A
西門子6RA7087—6Gv62為四象限工作裝置，
功率部分為兩個三相全控橋，勵磁回路采用單相半控橋。全數(shù)字直流調(diào)速裝置主回路設(shè)計如圖2所示。
1u1、1V1、1w1為系統(tǒng)提供三相電源，3ul、3w1為勵磁提供電壓，5u1、5g1為調(diào)速裝置提供控制電壓，lcl、1D1為電機(jī)電樞提供電樞電壓，3c、3D為勵磁繞組提供勵磁電流。
3軟件設(shè)計及調(diào)試
3 l軟件設(shè)計
西門子6RA70采用(c163和c167)兩臺高效能的微處理器承擔(dān)電樞和勵磁回路所有的調(diào)節(jié)和傳動控制功能。控制軟件以控制功能塊的形式存放在Flash—EPROM中，通過參數(shù)設(shè)置，可以方便地將軟件所提供的程序塊“連接”起來，實現(xiàn)各種驅(qū)動控制功能、邏輯控制功能等。
四象限工作裝置采用邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖如圖3所示。主電路采用兩組晶閘管裝置反并聯(lián)線路，為了保證穩(wěn)定運(yùn)行時電流波形的連續(xù)，需設(shè)置平波電抗器Ld。控制線路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，電流環(huán)分設(shè)兩個電流調(diào)節(jié)器，1AcR和2AcR分別用來控制正、反兩組觸發(fā)裝置CTF和GTR。無環(huán)流邏輯控制器DLc是系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其主要作用是防止主電路出現(xiàn)環(huán)流造成的嚴(yán)重短路事故，保證工作的可靠性。DLc任務(wù)是：在正組晶閘管VF工作時封鎖反組脈沖，反組晶閘管VR工作時封鎖正組脈沖，確保兩組不能同時開放。
3.2 6RA70參數(shù)設(shè)置
6RA70采用了新穎的BIcO技術(shù)，使所有功能 塊均可以通過參數(shù)來連接，可以通過操作面板完成 所有操作，也可以通過選件OPIs來操作，使用sI— MOVIs調(diào)試軟件可通過Pc菜單提示控制。
(1)合上裝置控制電源，首次使用的設(shè)備執(zhí)行 功能P051=21，參數(shù)被復(fù)位為工廠設(shè)置，完成后 P051被自動改寫為工廠缺省值40；執(zhí)行功能P05l =22，偏差調(diào)整開始。
(2)輸人電動機(jī)數(shù)據(jù)：P100為額定電樞電流； P1叭為額定電樞電壓；P102為額定勵磁電流；Pll4 為電動機(jī)熱時間常數(shù)
(3)實際速度檢測數(shù)據(jù)：對于本試驗臺，設(shè)置 P083=3為無測速機(jī)運(yùn)行(EMF控制)，速度實際值 信號由“EMF實際值”通道(K0287)提供，用P115 (****速度時的EMF)記值。
(4)勵磁數(shù)據(jù)：P082=1為勵磁回路與主回路接觸器一起合閘(當(dāng)主回路接觸器閉合／打開時勵磁脈沖使能／禁止)；P082=2為在達(dá)到運(yùn)行狀態(tài)或更高時在P258參數(shù)化的延時到達(dá)后由P257設(shè)置的停機(jī)，勵磁自動接人P082(P082=3為勵磁電流恒定接入)；設(shè)置P08l=l為勵磁減弱運(yùn)行被看作為一個內(nèi)部EMF控制功能。
(5)基本工藝功能的選擇：分別設(shè)置電流限幅、轉(zhuǎn)矩限幅和斜坡函數(shù)發(fā)生器。
(6)優(yōu)化運(yùn)行：采用手動優(yōu)化和自動優(yōu)化相結(jié)合，通過鍵參數(shù)1705l選擇：P05l=25電樞和勵磁的預(yù)控制和電流調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運(yùn)行，設(shè)置電樞電阻RA (P110)和電樞電感LA(P111)，勵磁回路電阻PF (P112)；P05l=26速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運(yùn)行；P051=27勵磁減弱的優(yōu)化運(yùn)行；P051=28摩擦和轉(zhuǎn)動慣量補(bǔ)償?shù)膬?yōu)化運(yùn)行。
6RA7O能夠完成故障自診斷和處理功能，對缺相、過流、過壓、欠磁、超速等各種故障進(jìn)行監(jiān)視和處理，保證了試驗臺操作的可靠性。
4控制系統(tǒng)仿真
為了驗證所選用的西門子6RA7087-6cv62可以完成試驗臺所需要的各項功能，對裝置采用邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
為了驗證DLc仿真模塊的正確性，對其進(jìn)行了測試。圖4分別為測試用輸入信號波形和輸出信號波形。
可逆系統(tǒng)共有四種運(yùn)行狀態(tài)，即四象限運(yùn)行。當(dāng)電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反向制動時，系統(tǒng)運(yùn)行在第1和第Ⅳ象限，當(dāng)電動機(jī)正向制動和反轉(zhuǎn)時，系統(tǒng)運(yùn)行在第Ⅱ和第Ⅲ象限。系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是設(shè)置了無環(huán)流邏輯控制器DLc，它按照系統(tǒng)的工作狀態(tài)，指揮系統(tǒng)進(jìn)行自動切換。根據(jù)工作要求，DLc應(yīng)由電平檢測、邏輯判斷、延時電路和連鎖保護(hù)四部分組成。以反映電磁轉(zhuǎn)矩的電流給定信號Ui。和零電流檢測信號Uio作為DLc的輸入信號。邏輯切換直流發(fā)出后，還須經(jīng)過兩端延時時間，封鎖延時td1和開放延時td2，以確保系統(tǒng)的可靠工作。DLc裝置的最后部分為邏輯聯(lián)鎖保護(hù)環(huán)節(jié)。正常時，邏輯電路輸出狀態(tài)封鎖正組脈沖的信號Ublf和封鎖反組脈沖的信號ublr總是相反的。一旦DLc發(fā)生故障，ublf和Ublr同時為l，將造成兩個晶閘管橋同時開放，必須避免此情況。對DLc進(jìn)行MatIah／simulink的建模，仿真模型及模塊符號如圖5所示。
邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的控制電路包括：給定環(huán)節(jié)、一個速度調(diào)節(jié)器AsR、兩個電流調(diào)節(jié)器AcR、限幅器、偏置電路、反相器、電流反饋環(huán)節(jié)、速度反饋環(huán)節(jié)等。控制電路的連接方式與電氣原理圖非常接近，如圖6所示。
為了得到比較復(fù)雜的給定信號，這里采用了將簡單信號源組合的方法。控制電路的有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：電流反饋系數(shù)設(shè)置為0．1；速度反饋系數(shù)設(shè)為1；調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置分別是：
圖7為邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的電流曲和轉(zhuǎn)速曲線。從仿真結(jié)果可以看出：仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了速度和電流的可逆，而且具有快速切換的性能。
5結(jié)語
經(jīng)過系統(tǒng)仿真，試驗臺系統(tǒng)所采用的西門子6RA7087—6cV62的邏輯無環(huán)流直流可逆調(diào)速系統(tǒng)在系統(tǒng)給定信號變極性時，電樞電流也改變極性，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩可逆；電流波形上升和下降沿很陡，動態(tài)性能良好。同時，輸出轉(zhuǎn)速能夠很好地跟隨轉(zhuǎn)速給定信號，在正、負(fù)上升沿跟蹤較快，過渡過程性能良好；轉(zhuǎn)速極性也隨著給定信號改變極性。仿真曲線證明，西門子6RⅣ7087—6GV62的使用可以實現(xiàn)試驗臺系統(tǒng)的各項要求。
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