6RA70調速器在風洞直流調速系統中的應用

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（1.中國空氣動力研究與發展中心低速所，四川 綿陽 621000；2.天津電氣傳動設計研究所，天津 300180）

1 引言

8m×6m風洞是我國乃至亞洲最大的低速風洞，由3臺2 600kW的直流電機拖動風扇，為風洞試驗提供穩定的風速。對風扇電機的調速采用西門子6RA24調速器，電控采用西門子S7－300 PLC系列可編程序控制器。由于該控制系統很多控制部件在“5.12”地震中損壞，不能滿足風洞試驗的需要，因此必須進行能力恢復和技術提升式改造。

自從20世紀80年代中后期，德國西門子公司推出6RA22以來，到現在又相繼推出了6RA23、6RA24和6RA70。他們的共同特點是采用單片機開、閉環控制，邏輯運算，故障診斷，參數設置，狀態故障顯示。當在主機板上加上擴展模板時，則可實現與其他自動化系統的通訊能力，或完成特殊的控制能力。6RA24采用的是Intel的16位單片機80C97。由于單片機本身的性能沒有太大的改進，其同步信號取自控制回路，因此要求控制回路相序與主回路相序要嚴格一致，在現場調試中很不方便。而6RA70采用的是西門子公司自身開發的單片機80C166，它的性能要比Intel 80C196KC高得多，故6RA70裝置無論在性能和功能方面都比6RA24有了很大的提高。特別是在6RA70中，同步信號取自主回路，這樣主回路相序與控制回路相序就沒有關聯。因此在本次改造中，風扇電機的調速采用了6RA70調速器，電控采用了S7－400PLC系列可編程序控制器。

2 6RA70調速裝置的結構及功能

6RA70系列調速器為三相交流電源直接供電全數字控制的雙閉環調速系統，系統內環為電流環，外環為速度環，可以實現直流電動機的調壓調速和調磁調速，能夠增加直流電動機的調速范圍，改善電動機的低速特性。

其控制單元由電樞和勵磁觸發單元、速度調節器、電流調節器、電樞反電勢閉環控制單元、勵磁電流閉環控制單元、斜坡函數發生器、給定值處理器以及輸入輸出接口電路等組成，各個部分的控制功能由2臺微處理器完成，通過參數將軟件所提供的程序塊進行“連接”控制。

6RA70系列直流調速器為三相交流電源直接供電的全數字晶閘管整流控制器，其技術特點如下：

1）所有的調節和控制均實現全數字化處理，因而裝置抗干擾性好、控制精度高、運行穩定可靠；

2）控制系統動態參數的調試，可以用優化程序自動完成，調試方便快捷；

3）具有超強的故障自診斷和處理功能，可對缺相、過流、過壓、欠磁、超速等各種故障進行監視和處理，并能模擬電動機的溫升曲線，對電動機過熱進行監視；

4）強大的通訊能力，可以通過通訊接口或增加通訊板，和上一級自動化系統進行通訊，方便地實現生產過程自動化，支持SIMOLINK，PROFIBUS，CAN，USS等多種協議；

5）可以根據工藝要求進行系統功能擴展，利用附加板完成特殊控制。

3 風洞直流調速系統分析

風扇電機作為風洞試驗所需風速的驅動裝置，其調速性能決定了試驗風速精準度，直接影響試驗的數據，因此，對風扇電機進行分析建模，設計出高性能指標的調速系統尤為關鍵。

3.1 直流電機調速方式分析

他勵直流電動機的機械特性方程為

由式（1）可見，由于改變電樞電壓調速一般不超過額定電壓，可以實現無級調速，平滑性良好，穩定性高，調速范圍寬而得到廣泛的應用。常用的調壓調速系統分為單環與多環調速系統。為了獲得理想的靜、動態性能，通常采用轉速、電流雙閉環調速系統。

3.2 轉速、電流雙閉環調速系統的分析

在轉速、電流雙閉環調速系統中，轉速外環與電流內環一般采用PI控制。其傳遞函數可以表示為

式中：Ki／n為電流（或轉速）調節器放大倍數；τi／n為電流（或轉速）調節器時間常數。

轉速、電流雙閉環系統基本上實現了在限制電流下的快速啟動，利用了飽和非線性方法，達到時間最優控制。它具有系統精度高、響應速度快、易于穩定、便于調整等優點。

4 6RA70在調速系統中的應用

該調速系統以PLC為核心，以西門子6RA70調速器為執行元件。當系統聯鎖正常滿足開車條件時，PLC將系統給定傳輸給調速器。調速器將給定和反饋進行比較、運算和調節，輸出正反組脈沖移相信號通過脈沖放大板加到晶閘管上，為風扇電機供電實現電機的運行。系統主回路單線圖見圖1。

圖1 系統主回路單線圖Fig.1 System main circuit diagram

4.1 電樞回路控制系統

電動機采用12脈沖整流，主回路高壓斷路器將電網6kV電壓引入整流變壓器，整流變壓器選用裂解三繞組形式，原邊為三角形（△）接法，2個副邊繞組1個為三角形（△）接法，1個為星形（Y）接法，2個副邊繞組輸出線電壓相等（由于5·12地震的影響使變壓器副邊輸出有所不同分別是380V和344V，但不影響使用），相位相差30°，形成原邊12相整流效果，減少了對電網的諧波污染和電機轉矩的脈動。為了實現12相整流電路，需要2個6RA70裝置采用主從控制方式，主動裝置為速度閉環和電流閉環運行，從動裝置通過點到點通訊接收主動裝置的電流為電流閉環。本系統利用2套30A的6RA70直流調速裝置的控制部分，輸出相應的觸發脈沖，經隔離和功率放大后分別觸發2組國產大功率2 500A三相橋式晶閘管整流裝置，2整流橋串聯后為風扇電機供電，從而實現風扇電機電樞電壓的控制。主6RA70線路原理見圖2。

圖2 主6RA70線路原理圖Fig.2 The circuit schematic diagram of main 6RA70

圖2中1U1、1V1、1W1是主電源的同步電源；5U1、5W1 是裝置工作電源；3U1、3W1是勵磁電源（本系統未用）；M1～M6，V1～V6（從裝置）分別是其輸出的6組角度互差60°的脈沖；Z14，Z15，Z4，Z5是主6RA70與勵磁6RA70的聯絡點作為今后需要弱磁等功能的備用；56～60是主6RA70與從6RA70點對點通訊的的聯絡點；1C1，1D1是取自整流柜直流側的電壓反饋；Z1F1，Z1F2，Z100是取自整流柜交流側的電流反饋。34，37，38是啟動、使能開關輸入點；105，106是系統主回路聯鎖輸入點；26～31是轉速反饋輸入點；6，7是電位器模擬給定輸入點；16，17是轉速表顯示輸出點。

4.2 勵磁回路控制系統

勵磁回路控制系統由隔離變壓器供電，直接利用1套60A的6RA70調速裝置的控制和功率部件，輸出恒定的38A的直流電給勵磁繞組供電。其線路原理見圖3。

圖3 勵磁6RA70線路原理圖Fig.3 The circuit schematic diagram of excitation 6RA70

圖3中，主回路交流電源經隔離變壓器、過壓保護、熔斷保護后輸入勵磁6RA70，由勵磁6RA70控制整流成恒定直流經電阻和二極管續流接入風扇電機勵磁繞組。勵磁6RA70的輸出觸點109／110通過中間繼電器K1控制交流接觸器KM1，從而實現對勵磁回路的合閘控制。

4.3 6RA70參數設置

采用“小觸大”控制方式的電樞調速器需要設置電樞電壓、電樞電流、勵磁電壓。設置電樞電流時需要按比例對應電機的額定電樞電流和電流互感器的銘牌值。

主要參數設置如下。

電樞調速器輸入的電動機參數：P100＝30；P101＝400；P102＝0；P104＝5 000；P105＝0.1；P107＝0.1。

該系統速度實際值由脈沖編碼器提供，需設置P083＝2，有關脈沖編碼器的參數：P140＝1；P141＝2 048；P142＝0；P143＝440。

斜坡函數發生器參數：P303＝40；P304＝40；P305＝1；P306＝5。

電流和速度調速器參數：P155＝0.3；P156＝0.08；P225＝1.5；P226＝8。

4.4 6RA70與PLC之間DP通訊的數據交換

6RA70與PLC通過CBP2通訊板進行數據交換。其數據交換格式如下。

6RA70用1塊通訊板（CB）與PLC進行通訊，其可以接收16個字（K3001－K3016）和發送16個字的數據（Word1－Word16）。若交換的數據量不能滿足需要，可增加1塊通訊板將接收和發送的數據分別擴展到32個字。

6RA70接收的16個字前9個可以按字讀取，也可以按位讀取，后7個字只能按字讀取。若按字讀取，則第1個字其連接器固定為K3001、第2個字其連接器固定為K3002、依次類推，第16個字其連接器固定為K3016；若按位讀取，則第1個字的16個位的連接器固定為B3100－B3115、第2個字的16個位的連接器固定為B3200－B3215、依次類推，第9個字的16個位的連接器固定為B3900－B3915。本系統中只接收第2和第3兩個字。第2個字為速度給定信號，按字讀取，為K3002（通過參數P433設置標準給定的源）；第3個字為控制字，按位讀取，而且只用了前2位，B3300為啟動信號（通過參數P654設置，與端子37“與”），B3301為使能信號（通過參數P661設置，與端子38“與”）。

6RA70發送的16個字通過參數U734來進行設置。出廠設定為 U734.001＝32（K32為狀態字1）；U734.002＝167（K167為帶符號的速度實際值）；U734.004＝33（K33為狀態字2）；其余未用。本系統中：U734.001＝32（K32為狀態字1）；U734.002＝173（K173為 K167經過濾波處理的速度實際值）；U734.003＝117（K117為帶符號的實際電樞電流值）；U734.004＝291（K291為實際電樞電壓絕對值）。

5 結論

本系統采用“以小觸大”的控制技術，即保留原有大容量晶閘管整流裝置，用小容量的全數字調速器作為調節系統，通過脈沖信號的轉接并驅動原來的大容量整流裝置，實現風扇電機的調速。因此改造成本低，系統精度高、響應速度快、穩定可靠性好。該系統運行2a以來效果非常好，系統安全可靠，穩定精度達到了0.06%，為風洞試驗數據質量提供了前提保證。該直流傳動控制系統的改造方式及思路，對大型低速風洞的老直流控制系統改造有一定的推廣借鑒作用。

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