1、西門子變頻器在步進爐改造中的應用(圖文)論文導讀：交-直-交變頻器由整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三局部組成。逆變器輸出的電壓為矩形波，而電流波形接近正弦波。這種變頻器的再生制動比擬困難，如果要實現(xiàn)再生制動，需額外附加逆變裝置，這種變頻器為電壓源型變頻器。在0HZ升到補償結束頻率時，電壓補償減少到0。關鍵詞：整流，逆變，再生制動，電壓補償1.引言包鋼無縫廠的步進式加熱爐將均整后的無縫鋼管進行預加熱，使其到達三輥定徑機軋制所需要的溫度。其控制功能主要包括輸入/輸出輥道變頻調速精確定位，輥道高度自動調整和步進梁升降和橫移比例流量控制等，通過檢測元件與PLC配合實現(xiàn)整個步進爐與定徑機和爐前設備的全自動

2、控制。原步進爐控制系統(tǒng)的PLC是由西門子SIMATICS5135U通過開關量實現(xiàn)對步進爐區(qū)域的在線設備進行手動和自動控制。由于系統(tǒng)老化、線路繁多和抗干擾能力差等原因，近年來系統(tǒng)故障率很高，造成設備運行不穩(wěn)定，維護困難。2006年9月，對原系統(tǒng)進行了升級改造，爐內輸入/輸出輥道變頻調速系統(tǒng)采用西門子6SE70系列變頻器。6SE70系列變頻調速系統(tǒng)低能耗，調速范圍廣，具備良好的靜、動態(tài)特性。2.異步電動機交-直-交變頻調速系統(tǒng)2.1 變頻器的組成交-直-交變頻器由整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器三局部組成。根據(jù)中間環(huán)節(jié)濾波方式的不同，變頻器分為電壓源型和電流源型兩種。在交-直-交變頻器的中間環(huán)節(jié)并聯(lián)大

3、電容器進行直流濾波，直流環(huán)節(jié)電壓比擬平直，電源阻抗很小，是一個內阻很小的電壓源。逆變器輸出的電壓為矩形波，而電流波形接近正弦波。這種變頻器的再生制動比擬困難，如果要實現(xiàn)再生制動，需額外附加逆變裝置，這種變頻器為電壓源型變頻器。在交-直-交變頻器中間直流環(huán)節(jié)采用電抗器進行濾波，整流器電源阻抗很大，可以近似一個恒流源。這種變頻器輸出電流為矩形波，輸出電壓近似正弦波。這種變頻器在在降速或停車過程當中，逆變器頻率突然降低，低于電機旋轉頻率時，電動機轉速超前于磁場轉速，此時逆變器處于整流工作狀態(tài)，而整流器處于逆變工作狀態(tài)，將電動機的機械能量轉換成電能回饋回電網，從而到達制動和調速目的，這種變頻器為電流源

4、型變頻器。西門子6SE70系列變頻器是一種電壓源型變頻器。2.2電壓型交-直-交變頻器轉速開環(huán)調速系統(tǒng)在電壓型變頻調速系統(tǒng)中一般采用開環(huán)控制,其控制電路有兩個控制環(huán)節(jié)，一個是電壓控制環(huán)節(jié)，一個是頻率控制環(huán)節(jié)。電壓控制環(huán)節(jié)采用相位控制原理實現(xiàn)電壓的調節(jié)，頻率控制環(huán)節(jié)采用恒磁通協(xié)調控制的變頻原那么，由v/f變換器、環(huán)型分配器和脈沖功率放大器三局部組成，v/f變換器將Uk轉換成具有一定頻率的脈沖列，環(huán)型分配器再按六個脈沖一組依次分配給逆變器，分別觸發(fā)橋臂上相應的六個晶閘管。脈沖功率放大器主要作用是脈沖功率放大和保證脈沖寬度180度。逆變器輸出頻率在50HZ以下時，為了減小脈沖變壓器的體積和改善脈沖波

5、形，對環(huán)型分配器送來的脈沖信號進行高頻調制。【1】2.3脈寬調制PWM變頻調速系統(tǒng)PWM型逆變器可以通過改變脈寬控制其輸出電壓，通過改變調制周期來控制其輸出頻率。根據(jù)供應逆變器的直流電壓是否可調，脈寬調制有兩種控制方式。第一種為脈沖幅值可調PWM型逆變器,可控整流橋與一般晶閘管系統(tǒng)一樣采用相位控制，通過改變觸發(fā)脈沖的相位角來獲得與逆變橋輸出頻率相對應的大小不同的直流電壓。逆變器只作輸出頻率控制，按脈沖調制方式進行工作。第二種為恒幅PWM型逆變器，二極管整流橋輸出恒定不變的直流電壓，經中間環(huán)節(jié)送到逆變橋，通過調節(jié)逆變橋輸出的脈沖寬度和頻率，來實現(xiàn)既調壓又調頻。這種類型的逆變器目前應用較為廣泛，它

6、不但主回路簡單，而且由于這種PWM型逆變器輸出交流電壓的大小和頻率直接由逆變橋決定，所以調節(jié)速度快，系統(tǒng)的動態(tài)特性好。另外，它的輸入功率因數(shù)高，而且多個逆變橋可以接在一個公共直流母線上，便于實現(xiàn)多臺電動機調速。圖(一) IGBT組成的脈寬調制型變頻器如圖(一)所示,6SE70交-直-交變頻器就是通過逆變橋既調頻又調壓，逆變單元主回路采用IGBT功率元件，整流單元采用晶閘管三相全控橋，在正常情況下，根據(jù)逆變器對直流電壓的要求，通過調整整流單元參數(shù)確定好角的大小后，整流輸出電壓根本保持不變。3.西門子6SE70變頻調速系統(tǒng)3.1西門子6SE70系列變頻器的控制方式西門子6SE70系列交-直-交變頻

7、調速系統(tǒng)包括FC板、VC板、SC板三種控制方式。FC板是頻率控制方式，采用開環(huán)控制，在對控制精度要求不是特別高的場合使用，無縫廠目前大局部使用的都是此種控制方式的變頻器。VC板采取矢量控制方式，SC板采用直接轉矩控制，這兩種控制方式一般采用閉環(huán)控制方式，適用于調速要求特別高的場合。步進爐出爐輥道由十臺電機組成，單臺電機功率4KW，屬于多負載控制系統(tǒng)。出爐輥道正轉時要求實現(xiàn)高、低速控制，且低速時速度值隨定徑機入口輥道的速度變化而變化，反轉通過固定的設定速度來實現(xiàn)。3.2輥道變頻器主回路結構及外部保護回路主回路整流單元采用三相全控橋式整流器，中間直流環(huán)節(jié)采用大電容器進行濾波，屬于電壓型變頻器。其逆

8、變側通過控制IGBT電力電子元件的關斷來實現(xiàn)頻率和電壓的變化。整個變頻器通過微機實現(xiàn)全數(shù)字化控制，通過操作面板變頻器參數(shù)的設定，即可實現(xiàn)變頻器各種控制功能的實現(xiàn)。在變頻器輸入端，采用帶快熔的刀閘盒，通過快熔實現(xiàn)對整流橋晶閘管的保護。另外在變頻器輸入端采用輸入電抗器抑制電流尖峰或電流突變，這樣可以有效的防止晶閘管受到大電流的沖擊而擊穿或使晶閘管的特性下降。在變頻器的輸出端加濾波電抗器，可以有效的濾除一些高次諧波，這樣可以盡量減小諧波對變頻器外部和內部控制回路的干擾，使變頻器穩(wěn)定的工作。在設計中，將主回路接觸器合閘與變頻器內部發(fā)出的準備就緒信號聯(lián)系起來，在變頻器準備就緒的情況下，主接觸器方可合閘，

9、這樣可以對變頻器和維護人員起到保護作用。3.3變頻器的初始化參數(shù)通過P052選擇不同的參數(shù)值，變頻器可完成相應的參數(shù)設定。P052=1 將所有參數(shù)返回出廠時的設定P052=2 可完成不同型號變頻器MLFB代碼的輸入P052=4可完成通訊功能的設定P052=5給傳動系統(tǒng)和電機系統(tǒng)賦值P052=6根據(jù)電機銘牌數(shù)據(jù)自動設定電機控制參數(shù)P052=7根據(jù)測量電機數(shù)據(jù)，自動設置控制系統(tǒng)參數(shù)每一臺電機都應根據(jù)電機參數(shù)的不同，對電機進行初始化設置，具體過程如下，以出爐輥道變頻器為例。P050=1 語言選擇為英語P051=1 選擇專家應用，在這種方式下才可實現(xiàn)對所有參數(shù)的設定P052=5 傳動裝置和電機數(shù)據(jù)的設

10、定P071=400V 傳動裝置的線電壓P092=1 變頻器輸出端選用正弦濾波器P100.2=0 選用國際標準電機P101.2=380 V額定電機電壓P102.2=114 A 額定電機電流P103.2= 0A 電機空載電流P104.2=0.87 電機功率因數(shù)P107.2=50 HZ電機額定頻率P108.2=750r/min電機額定轉速P109. 2= 4電機極對數(shù)P163.2=1 選擇變頻器為V/f特性P165.2=0 選擇線性特性,即恒轉矩傳動P420= 50 HZ 變頻器額定系統(tǒng)頻率P452.2= 50HZ 變頻器正向最大頻率P453.2=- 50 HZ 變頻器反向最大頻率P462.2=1.

11、5秒 從靜止到系統(tǒng)額定頻率的斜坡時間P462.2=0.5秒 從系統(tǒng)額定頻率到靜止的斜坡時間P761=6KHZ 脈沖頻率P052=7然后啟動變頻器,對變頻器進行優(yōu)化由于出爐輥道使用正弦濾波器,所以采用P052=7進行優(yōu)化。對于未采用正弦濾波器的變頻器采用P052=6進行優(yōu)化。通過上述參數(shù)的設定，變頻器根本可以實現(xiàn)帶載工作。由于出爐輥道由10臺電機組成，其電流值為10臺電機電流的總和。將變頻器設定為V/f特性，即Us/fs=cons，為了滿足輥道電機的控制要求，將變頻器設定為線形特性，即恒轉矩特性。3.3變頻器控制回路6SE70變頻器有CU1控制板、CU2控制板、CUVC控制板等幾種不同的控制板，

12、無縫廠新定徑使用的變頻器使用的都是CU1板，下面就CU1板變頻器的外部端子做以下說明。CU1板變頻器具有5個開關量輸入，2個開關量輸出，2個模擬量輸入和2個模擬量輸出，且具有內部0-10V模擬量發(fā)生器，可直接通過外部電位器來調節(jié)給定量的大小。變頻器的輸入和輸出控制通過變頻器的控制字和狀態(tài)字來控制。通過控制字的控制位對應參數(shù)的設定，便可實現(xiàn)變頻器外部控制端子功能的分配以及控制方式的選擇。通過狀態(tài)字的狀態(tài)位對應參數(shù)的設定，可實現(xiàn)變頻器輸出端子開關量和模擬量功能的分配。通過參數(shù)的設定和PLC程序的配合即可實現(xiàn)對變頻器速度和工作狀態(tài)的控制。變頻器的外部輸出端子和輸入端子的功能可通過參數(shù)設定進行自由選擇

13、。3.4變頻器通道的設定變頻器有主通道和輔助通道兩個通道，通過參數(shù)選擇在主通道可實現(xiàn)在操作面板實現(xiàn)速度的升降，也可以通過模擬量以及數(shù)字量通訊實現(xiàn)頻率的控制，還可以通過外部控制端子來控制最多4個設定頻率的選擇來控制變頻器的實際工作頻率。輔助通道無法實現(xiàn)在操作面板完成對頻率的控制。通過P443和P428不同參數(shù)值的選擇，可實現(xiàn)對主通道和輔助通道中不同給定量的選擇。AE1和AE2分別為兩個模擬量輸入通道。參數(shù)值為1002表示通過變頻器面板實現(xiàn)頻率的控制，參數(shù)值1001表示通過外部接線端子來控制4個設定頻率的選擇。步進爐出爐輥道由于正轉需要進行調速，爐外檢測無管時，輥道以高速運行，爐外檢測有管時，輥道

14、速度跟隨定徑機入口速度變化，反轉由于采取手動控制，需要以固定頻率運轉。在設計中采用通訊控制實現(xiàn)輥道的快慢速及正反轉功能。主通道和輔助通道相結合來實現(xiàn)對變頻器。3.5變頻器的啟動和停車由前面的理論表達可知，變頻器瞬間頻率上升過快，啟動力矩將會受到影響，甚至造成變頻器過流，所以在變頻器啟動過程中由P462參數(shù)值通過斜坡函數(shù)發(fā)生器可以控制變頻器的啟動時間，從而消除上面的影響。變頻器停車時，由參數(shù)P464可控制變頻器停車時間。出爐輥道P462=1秒，P464=0.5秒。變頻器有OFF1、OFF2和OFF3三種停車方式，優(yōu)先級OFF2OFF3OFF1，正常停車用OFF1，急停采用OFF2和OFF3，OF

15、F1和OFF3進行停車，停車時間可以通過參數(shù)進行設定。T1=Tdecel+Tdelay，T3=Toff3+Tdelay，Tdecel時間值由P464設定，Tdelay時間值由參數(shù)P516設定，通過OFF3或OFF1停車時，降到停車頻率Toff時，變頻器經過Tdelay后脈沖會被封鎖，變頻器停止運行。OFF2停車方式，變頻器脈沖立即封鎖，外部回路全部切斷，這種方式會對變頻器構成一定的損害，所以停車只選擇了OFF1和OFF3停車方式。OFF3設為急停，通過外部端子分配，20#端子設定為急停端子，即P558.2=1005。當發(fā)生一些緊急情況時，通過該端子可實現(xiàn)變頻器的緊急停車。一般OFF3停車時間設

16、的比OFF1要短一些。3.6變頻器啟動時的電壓補償由前面變頻理論可知，變頻器在無法保證電機一直工作在恒轉矩特性下，在低頻時電機的轉矩將會下降，所以在低頻段增加了電壓補償，使電機在額定頻率內在恒轉矩下工作。具體參數(shù)設定如下：P166=1 0HZ時采取電壓補償P168=2 電壓補償值，為額定電壓的百分數(shù)P169=10 電壓補償?shù)慕Y束頻率在0HZ升到補償結束頻率時，電壓補償減少到0。P169值的設定可以保證在補償范圍內輸出電壓保持恒定，直到交到正常的V/HZ曲線。3.7變頻器的弱磁頻率當變頻器頻率升到額定頻率以上時，采用V/f特性將使電機電壓超過額定電壓，這樣將會損壞電機。通過弱磁頻率的設定，當頻率

17、超過弱磁頻率時，輸出電壓將保持恒定，電機工作在恒功率狀態(tài)。步進爐出爐輥道弱磁頻率P170=50HZ，在50HZ以內變頻器處于恒轉矩工作狀態(tài)。3.8變頻器的制動6SE70系列變頻器有兩種制動方式，一種是通過制動單元由外接制動電阻實現(xiàn)制動；一種是通過整流單元的回饋逆變橋，由自藕變壓器通過升壓將電動機機械能轉換為電能回送到電網，來實現(xiàn)變頻器的制動，步進爐出爐輥道便采用回饋再生制動。3.9變頻器的內部保護和報警信息溫度保護：通過變頻器內部的熱敏檢測電阻對變頻器溫度進行監(jiān)測，當溫度過高時，變頻器會自動停車，并發(fā)出報警信息。過載保護：通過電流限幅信號的設定，可對電機和傳動裝置起到保護作用。設定P763=8

18、9A變頻器最大電流值，由于出爐輥道由10臺電機組成，在滿足電機正常運行的前提下將保護值設的較低，以增加對單臺電機的保護。變頻器出現(xiàn)故障時，會在操作面板上顯示故障代碼和報警信息代碼，通過代碼可以較方便的查找故障。3.10變頻器的通訊控制步進爐裝、出爐輥道采用通訊控制，通過PROFIBUS-DP實現(xiàn)PLC與變頻器間數(shù)據(jù)量和控制信號以及狀態(tài)信號的傳輸。通過選件板CB1通訊板把驅動設備集成到自動控制系統(tǒng)中，具體參數(shù)設置如下：P051=3 專家方式P052=4 傳動設備硬件設置P090=1 電子板PCB2#位插CB1板P091=1 電子板PCB3#位空P918=3-122 從站站號P052=0 返回前面的驅動狀態(tài)P052=7 釋放參數(shù)接口P443=