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摘要 本文结合具体工程实例详细分析了交流同步大电动机的交交变频控制系统。
关键词 交流同步电机；交交变频控制；SIMADYN D
中图分类号 TB486 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）122-0196-02
1 概述
交交变频控制系统具有功率因数较高、运行效率高、节省成本的优势。
某中宽带工程中R1四辊可逆轧机电机6800 kW，二台，转速50/110 r/min，精轧机组四辊轧机机列由F1-F7组成，F1-F3电机7000 kW，转速160/400 r/min F4-F5电机，6500 kW，转速150/520 r/min，F6-F7电机，6000 kW转速200/650 r/min，以上电机均为交流同步电机.
主传动电动机为交交变频变流装置供电的交流同步机，控制装置采用SIEMENS公司的SIMADYN D全数字矢量控制系统。
每套交交变频器由三台电网自然换流无环流可逆的三相桥式变流器组成，对应同步电机定子A，B，C三相，每相连接成三相桥式电路。三相交交变频器采用逻辑无环流、三相有中点方式，由一台原、副边三分裂整流变压器供电，两台电机整流变压器接法互相错开，以减少供电高次谐波。输出端采用星点联接，电机定子绕组为三相星接，电机星点和变频器星点独立。
这种结构的优点是：可以采用交流偏置技术，使整流变压器二次电压降低、晶闸管电压安全系数提高、变频器容量降低、电机内无三次谐波。
同步机定子三相交交变频采用逻辑无环流三相有中点方式，其特点为：
·采用耐压4200 V晶闸管元件，交交变频器最大输出峰值电压2333 V。
·采用全关断光电检测零电流技术，使无环流切换死区减少到≤1.1 ms；
·采用LEM电压变换器，以实现实际电压值的检测。
·采用变频器输出侧直流电流检测做电流闭环控制、及电流保护。
·采用六脉冲传输同轴电缆，提高了触发系统的抗干扰能力；
·每台主柜门板都装有集中显示器，以显示各功率单元的工作情况及主柜的通风情况。
本系统采用西门子公司的SIMADYN D全数字控制系统电机实现控制，并以光线通讯加以连接，在系统中实现数据交换、监视和统一管理。
系统的基本组态如下所述：
以SIMADYN D为基础的传动控制级，完成对电机的调速控制，包括同步电机的矢量控制、电机的启停控制和电机保护，同时为了使SIMADYN D能实现本地现场数据采集，故障显示及诊断，建立了本地通讯网。
采用一套数据通讯网实现综合控制，将SIMADYN D设备及上位机有机地连接起来帮助实现高级控制和集中管理。
交流同步电动机采用自同步控制方式，定子电流由磁场定向控制系统分解为两个独立的直流分量，即电流的转矩分量IM和励磁分量IF。与直流调速相同，转矩分量设定值由速度调节器决定，励磁分量设定值由电动机功率因数cosφ及电流模型计算出来。与同步电动机同轴相联的光电编码器检测电动机的转子位置信号cosγ和sinγ，由转子模型单元计算出负载角cosδ和sinδ，以及励磁电流给定值Ifd。转子位置角γ与负载角δ相加可得磁场定向旋转角θ。根据当前电动机运行的实际反馈值及系统设定值，计算出给定电流的转矩分量及励磁分量，给定电压的转矩分量和励磁分量，再经过矢量的旋转变换和2/3变换，形成三相定子电流给定值Ia、Ib、Ic，这些值送入带电流断续自适应调节，电压前馈控制的电流调节系统。
在轧机主传动系统中，每台同步电机都配有一套SIMADYN D控制系统，以完成各自的电机控制、保护和故障诊断等任务。
SIMADYN D控制系统硬件由双高度欧洲标准尺寸的高抗干扰和容错性的插入式线路板组成，模板按功能分为通用处理器板、特殊任务处理器板、存储器板、数字输入/输出板、模拟输入/输出板，根据不同的任务需要可任意配置。
各处理器之间的数据传送通过C总线和L总线两种总线来完成，每个处理器模板都有它自己的程序和数据存储器，可以独立地完成分配给它的任务，并实现多处理器并行工作。
外部开关信号通过输入/输出模块连接，这些标准接口模块提供电气隔离、信号的匹配和变换，用于操作监视和服务的外围装置通过总线或串行接口联接起来。
同时，SIMADYN D还提供多种通讯手段与其他设备、系统进行数据传输，包括控制装置与上位机间的通讯；控制装置与HMI间的通讯；控制装置之间的通讯以及与下位机间的数据传输等等。
本项目中SIMADYN D控制系统实现交交变频同步电机矢量变换运算。系统还分别给各个处理器设计了管理程序，用来管理通过系统内部总线的处理器之间的数据交换，通过现场总线实现与远程I/O站的数据交换，SIMADYN D设备与上位机的数据传输以及与用于实现故障诊断、运行监控画面之间的信息传递由通讯网络完成，同时，系统支持运行中的在线调试。
软件主要功能：
闭环控制功能
开环控制功能
定位功能
逻辑控制功能
扁头定位功能
负荷平衡控制功能
防扭振控制功能
控制系统通讯
整个通讯系统按不同的通讯任务分为三个层次进行设计：
SIMADYN D本地通讯主要完成传动控制设备的现场数据采集、本地操作以及故障自诊断等任务。
信息管理通讯负责系统各类信息的收集、处理、存储、检索以及输出。
SIMADYN D与上一级控制系统之间数据传输以实现连续生产过程控制、系统协调及最佳控制。 2 SIMADYN D本地通讯
SIMADYN D作为单台电机的控制系统要实现其本身的电机控制，逻辑操作，电机保护及故障诊断等任务，这样需有一套独立的本地通讯网，以实现其本身的控制任务。
SIMADYN D配置CS7通用通讯板，SS52通讯子板挂靠在CS7通讯板完成本地通讯任务：
SS52使用SINEC L2 DP通讯协议，用以实现SIMADYN D通过现场总线与远程I/O ET200之间的数据传输，主要任务是支持SIMADYN D对现场的数据采集及控制信号传送。为每台电机的控制装置选配两套ET200远程I/W系统，完成电机侧的现场数据采集。
电机侧ET200：
定子绕组温度检测
轴承润滑状况
轴承温度检测
电机通风状况
高压侧ET200：
定子高压开关信号
转子高压开关信号
整流变压器温度、瓦斯信号
3 信息管理及系统监控
为每台SIMADYN D控制设备配置两块通讯子板SS4。
一块SS4使用DUST1通讯协议用以实现SIMADYN D 与调试用PC机的数据通讯，主要任务是支持Service IBS服务软件的在线访问，以协助现场调试。
另一块SS4与SIEMENS公司专用操作面板OP2N进行数据交换，实现信息管理及传动系统的故障收集、显示、诊断以及对系统运行状态的显示。完成运行参数监视、故障报警、开环调试运行等功能。
4 系统过程控制通讯
SIMAD1YN D控制设备CS7+SS52通讯子板以支持SINEC L2-DP通讯协议。SIMADYN D控制设备配置SS52通讯子板，通过SINEC L2-DP网络完成与上位机的通讯，实现对传动系统的控制。
SINEC L2-DP是一种欧洲标准的现场总线协议，因此，在与现场其他自动化设备接口时，其兼容性比较好。
某中宽带工程高线车间主传动采用此设计方法，自投产以来运行可靠，取得了很好的效益。
参考文献
[1]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].交流电动机调速系统：冶金工业出版社，1996，1（25）.
作者简介
曹汉英（1978—），女，工程师，中冶华天工程技术有限公司自动化所。
关键词 交流同步电机；交交变频控制；SIMADYN D
中图分类号 TB486 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）122-0196-02
1 概述
交交变频控制系统具有功率因数较高、运行效率高、节省成本的优势。
某中宽带工程中R1四辊可逆轧机电机6800 kW，二台，转速50/110 r/min，精轧机组四辊轧机机列由F1-F7组成，F1-F3电机7000 kW，转速160/400 r/min F4-F5电机，6500 kW，转速150/520 r/min，F6-F7电机，6000 kW转速200/650 r/min，以上电机均为交流同步电机.
主传动电动机为交交变频变流装置供电的交流同步机，控制装置采用SIEMENS公司的SIMADYN D全数字矢量控制系统。
每套交交变频器由三台电网自然换流无环流可逆的三相桥式变流器组成，对应同步电机定子A，B，C三相，每相连接成三相桥式电路。三相交交变频器采用逻辑无环流、三相有中点方式，由一台原、副边三分裂整流变压器供电，两台电机整流变压器接法互相错开，以减少供电高次谐波。输出端采用星点联接，电机定子绕组为三相星接，电机星点和变频器星点独立。
这种结构的优点是：可以采用交流偏置技术，使整流变压器二次电压降低、晶闸管电压安全系数提高、变频器容量降低、电机内无三次谐波。
同步机定子三相交交变频采用逻辑无环流三相有中点方式，其特点为：
·采用耐压4200 V晶闸管元件，交交变频器最大输出峰值电压2333 V。
·采用全关断光电检测零电流技术，使无环流切换死区减少到≤1.1 ms；
·采用LEM电压变换器，以实现实际电压值的检测。
·采用变频器输出侧直流电流检测做电流闭环控制、及电流保护。
·采用六脉冲传输同轴电缆，提高了触发系统的抗干扰能力；
·每台主柜门板都装有集中显示器，以显示各功率单元的工作情况及主柜的通风情况。
本系统采用西门子公司的SIMADYN D全数字控制系统电机实现控制，并以光线通讯加以连接，在系统中实现数据交换、监视和统一管理。
系统的基本组态如下所述：
以SIMADYN D为基础的传动控制级，完成对电机的调速控制，包括同步电机的矢量控制、电机的启停控制和电机保护，同时为了使SIMADYN D能实现本地现场数据采集，故障显示及诊断，建立了本地通讯网。
采用一套数据通讯网实现综合控制，将SIMADYN D设备及上位机有机地连接起来帮助实现高级控制和集中管理。
交流同步电动机采用自同步控制方式，定子电流由磁场定向控制系统分解为两个独立的直流分量，即电流的转矩分量IM和励磁分量IF。与直流调速相同，转矩分量设定值由速度调节器决定，励磁分量设定值由电动机功率因数cosφ及电流模型计算出来。与同步电动机同轴相联的光电编码器检测电动机的转子位置信号cosγ和sinγ，由转子模型单元计算出负载角cosδ和sinδ，以及励磁电流给定值Ifd。转子位置角γ与负载角δ相加可得磁场定向旋转角θ。根据当前电动机运行的实际反馈值及系统设定值，计算出给定电流的转矩分量及励磁分量，给定电压的转矩分量和励磁分量，再经过矢量的旋转变换和2/3变换，形成三相定子电流给定值Ia、Ib、Ic，这些值送入带电流断续自适应调节，电压前馈控制的电流调节系统。
在轧机主传动系统中，每台同步电机都配有一套SIMADYN D控制系统，以完成各自的电机控制、保护和故障诊断等任务。
SIMADYN D控制系统硬件由双高度欧洲标准尺寸的高抗干扰和容错性的插入式线路板组成，模板按功能分为通用处理器板、特殊任务处理器板、存储器板、数字输入/输出板、模拟输入/输出板，根据不同的任务需要可任意配置。
各处理器之间的数据传送通过C总线和L总线两种总线来完成，每个处理器模板都有它自己的程序和数据存储器，可以独立地完成分配给它的任务，并实现多处理器并行工作。
外部开关信号通过输入/输出模块连接，这些标准接口模块提供电气隔离、信号的匹配和变换，用于操作监视和服务的外围装置通过总线或串行接口联接起来。
同时，SIMADYN D还提供多种通讯手段与其他设备、系统进行数据传输，包括控制装置与上位机间的通讯；控制装置与HMI间的通讯；控制装置之间的通讯以及与下位机间的数据传输等等。
本项目中SIMADYN D控制系统实现交交变频同步电机矢量变换运算。系统还分别给各个处理器设计了管理程序，用来管理通过系统内部总线的处理器之间的数据交换，通过现场总线实现与远程I/O站的数据交换，SIMADYN D设备与上位机的数据传输以及与用于实现故障诊断、运行监控画面之间的信息传递由通讯网络完成，同时，系统支持运行中的在线调试。
软件主要功能：
闭环控制功能
开环控制功能
定位功能
逻辑控制功能
扁头定位功能
负荷平衡控制功能
防扭振控制功能
控制系统通讯
整个通讯系统按不同的通讯任务分为三个层次进行设计：
SIMADYN D本地通讯主要完成传动控制设备的现场数据采集、本地操作以及故障自诊断等任务。
信息管理通讯负责系统各类信息的收集、处理、存储、检索以及输出。
SIMADYN D与上一级控制系统之间数据传输以实现连续生产过程控制、系统协调及最佳控制。 2 SIMADYN D本地通讯
SIMADYN D作为单台电机的控制系统要实现其本身的电机控制，逻辑操作，电机保护及故障诊断等任务，这样需有一套独立的本地通讯网，以实现其本身的控制任务。
SIMADYN D配置CS7通用通讯板，SS52通讯子板挂靠在CS7通讯板完成本地通讯任务：
SS52使用SINEC L2 DP通讯协议，用以实现SIMADYN D通过现场总线与远程I/O ET200之间的数据传输，主要任务是支持SIMADYN D对现场的数据采集及控制信号传送。为每台电机的控制装置选配两套ET200远程I/W系统，完成电机侧的现场数据采集。
电机侧ET200：
定子绕组温度检测
轴承润滑状况
轴承温度检测
电机通风状况
高压侧ET200：
定子高压开关信号
转子高压开关信号
整流变压器温度、瓦斯信号
3 信息管理及系统监控
为每台SIMADYN D控制设备配置两块通讯子板SS4。
一块SS4使用DUST1通讯协议用以实现SIMADYN D 与调试用PC机的数据通讯，主要任务是支持Service IBS服务软件的在线访问，以协助现场调试。
另一块SS4与SIEMENS公司专用操作面板OP2N进行数据交换，实现信息管理及传动系统的故障收集、显示、诊断以及对系统运行状态的显示。完成运行参数监视、故障报警、开环调试运行等功能。
4 系统过程控制通讯
SIMAD1YN D控制设备CS7+SS52通讯子板以支持SINEC L2-DP通讯协议。SIMADYN D控制设备配置SS52通讯子板，通过SINEC L2-DP网络完成与上位机的通讯，实现对传动系统的控制。
SINEC L2-DP是一种欧洲标准的现场总线协议，因此，在与现场其他自动化设备接口时，其兼容性比较好。
某中宽带工程高线车间主传动采用此设计方法，自投产以来运行可靠，取得了很好的效益。
参考文献
[1]钢铁企业电力设计手册编委会.钢铁企业电力设计手册[M].交流电动机调速系统：冶金工业出版社，1996，1（25）.
作者简介
曹汉英（1978—），女，工程师，中冶华天工程技术有限公司自动化所。