西門子S120變頻器在柴電燃模擬試驗系統中的應用

李中兵, 陳迪秋

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所，上海 200135)

圖1 柴電燃模擬推進系統示意圖

0 引 言

在柴電燃模擬試驗系統中，需使用3臺電機分別模擬主推進電機、燃氣輪機和螺旋槳 (在此稱這3臺電機為推進電機、燃機模擬電機、槳模擬電機)，見圖1。3臺電機均采用變頻調速，其中推進電機和燃機模擬電機用來輸出功率，槳模擬電機用來模擬螺旋槳的負載特性;變頻器采用西門子公司的S120變頻器。系統一般運行時，使用推進電機拖動槳模擬電機旋轉;需要提速或增加負載轉矩時，將燃機模擬電機起動并車，用以提供額外的功率拖動負載。

1 S120變頻驅動控制系統

S120變頻器是西門子新一代的驅動控制系統，集V/F控制、矢量控制和伺服控制于一身，其產品為模塊化結構，用戶可根據實際需要選擇模塊，組成控制系統。

柴電燃模擬試驗系統中，推進電機的控制方式與燃機模擬電機的類似，可采用相同的變頻驅動模塊；槳模擬電機的功率較大，且需要工作在發電狀態，變頻器應帶有能量回饋功能，故采用不同的變頻驅動模塊。圖2為這兩種變頻驅動模塊結構圖。

圖2變頻驅動模塊結構圖

推進電機驅動變頻器和燃機模擬電機驅動變頻器的控制模塊均采用西門子CU310_DP，功率模塊采用集整流和逆變功能于一體的PM340。由于PM340沒有能量回饋功能，因此還需接入制動電阻模塊，以消耗電機制動過程中發出的電能。

槳模擬電機驅動變頻器的控制模塊采用西門子CU320_2_DP;整流/回饋模塊采用西門子IGBT整流回饋裝置，用于將三相交流電源整流成直流或將直流母線上的電能回饋至電網。為使回饋的電能滿足并網條件，其外部還需接入電抗器和濾波器。逆變模塊采用西門子SMM逆變模塊，其主要作用是從直流母線得到電源，根據相應控制算法，達到拖動電機的效果。

2 軟件配置

2.1 調試軟件

SINAMICS S120的調試軟件為Starter。Starter具備可視化界面，調試過程快速而簡單；內部嵌套了故障分析和圖形化工具，綜合檢測和診斷功能強大。

2.2 參數設置

針對兩種不同的變頻器結構，在Starter軟件中選擇相應的控制模塊類型(CU310_DP或CU320_2_DP)和電機控制方式(矢量控制或伺服控制)，并按電機銘牌及編碼器上的信息配置變頻器相關參數。電機參數見表1。編碼器為增量式雙極性編碼器，脈沖數為1 024，其型號為1024 HTL A/B R。

表1 電機參數表

在Starter軟件的Expert list中，按以上參數設置變頻器、電機與編碼器的各項參數(見圖3)。

由于西門子S120變頻器采用Profibus與外界進行通信，而柴電燃模擬試驗系統的上層管理軟件采用CANopen協議與下位機進行通信，因此變頻器需通過轉換網關接入上層管理軟件，其通信幀格式見表2和表3。

表2 變頻器接收上位機數據格式

圖3 變頻器參數設置圖

表3 變頻器發送給上位機數據格式

2.3 輸入輸出模塊配置

根據柴電燃模擬試驗系統的要求，不僅可以通過上層管理軟件控制變頻器的運行狀態，還可以通過變頻器驅動箱前面板的按鈕控制電機的轉速和轉矩，以及通過觀察各種指示燈了解變頻器的工作狀態。因此，需要配置變頻器的模擬量輸入/輸出模塊，將變頻器的控制指令、運行狀態分別與前面板的按鈕和指示燈一一對應起來。其配置見圖4和圖5。

圖4 模擬量輸入模塊配置

3 電機運行調試

3.1 電機靜、動態辨識及優化

配置好變頻器參數后，為提高電機的運行性能，需對電機的靜態、動態參數進行辨識和優化，該過程可在Starter軟件中的Control panel和Stationary/turning measurement中完成。靜態辨識主要是測量電機的內部電阻、電感以及電磁損耗等參數；動態優化則主要是計算電機模型并對速度調節器進行優化。

圖5 模擬量輸出模塊配置

完成電機的辨識及優化后，便可進行轉速控制或轉矩控制實驗，在Starter軟件的Device trace中可觀察推進電機的轉速和轉矩響應曲線。

3.2 轉速控制

現將推進電機與槳模擬電機之間的離合器合上，槳模擬電機采用恒轉矩控制，設定轉矩為15 N·m;推進電機采用轉速控制，在0～60 s給定轉速為100 r/min,60～120 s給定轉速為500 r/min，120～180 s給定轉速為300 r/min。圖6和圖7分別為轉速控制時推進電機的轉速和轉矩響應曲線。

圖6 轉速控制時的轉速響應曲線

圖7 轉速控制時的轉矩響應曲線

從圖6、圖7中可以看出，推進電機克服負載轉矩和摩擦轉矩做功，當轉速給定值改變時，實際轉速在3 s之內便能穩定下來，穩定后誤差不超過±1%；而在轉速突變時,實際轉矩的波動較大。這是由于在轉速控制時，變頻器為了使轉速迅速跟蹤給定值，在短時間內突然加減功率，造成轉矩初始波動較大。

3.3 轉矩控制

現將燃機模擬電機與槳模擬電機的離合器合上，對推進電機采用轉矩控制。

3.3.1 恒轉矩、變轉速控制

給定推進電機轉矩恒定為32 N·m，調節槳模擬電機的負載與燃機模擬電機做功的大小，使推進電機轉速在0～150 s為200 r/min，150～325 s為450 r/min,325～480 s為300 r/min。圖8為恒轉矩、變轉速控制時推進電機的轉矩響應曲線。

圖8 恒轉矩，變轉速控制時的轉矩響應曲線

從圖8中可以看出，推進電機的轉速變化時，轉矩的誤差隨之改變。轉速在200 r/min時，轉矩誤差約為±4%；轉速在450 r/min時，轉矩誤差約為±7%；轉速在300 r/min時，轉矩誤差約為±5.5%。

3.3.2 恒轉速、變轉矩控制

在0～60 s，給定推進電機轉矩命令為30 N·m;60～120 s為40 N·m;120～180 s為35 N·m;同時調節槳模擬電機與燃機模擬電機的負載及做功大小，使推進電機的轉速恒定在250 r/min。圖9為恒轉速、變轉矩控制時推進電機的轉矩響應曲線。

圖9 恒轉速，變轉矩控制時的轉矩響應曲線

從圖9中可以看出，推進電機轉速恒定在250 r/min時，隨著轉矩命令的變化，轉矩響應的誤差一直維持在±4%左右。

從3.3.1和3.3.2的試驗結果可知，在柴電燃模擬試驗系統中，推進電機轉矩控制時，轉矩響應誤差隨轉速的增大而增大，而轉矩的大小對轉矩誤差沒有直接影響。

3.3.3 轉矩閉環控制

在3.3.1和3.3.2的試驗中，對轉矩采用的是開環控制?？紤]到轉速較大時轉矩的抖動誤差較大，現對轉矩采用閉環控制，即將推進電機的扭矩儀輸出電壓值接入變頻器的模擬量輸入模塊，作為閉環控制的轉矩反饋信號。

給定推進電機轉矩恒定為32 N·m，調節槳模擬電機的負載與燃機模擬電機做功的大小，使推進電機的轉速在0～150 s為200 r/min，150～325 s為450 r/min,325～480 s為300 r/min。圖10為轉矩閉環控制時推進電機的轉矩響應曲線。

圖10 轉矩閉環控制時的轉矩響應曲線

從圖10中可以看出，轉速在450 r/min時，轉矩抖動誤差約為±7%;轉速在200 r/min與300 r/min時，轉矩抖動誤差也與開環控制時類似?？梢?閉環控制并沒有使轉矩的抖動誤差得到改善。由此推斷，轉矩的抖動誤差是由變頻器自身的控制精度決定的，且無論是開環控制還是閉環控制，變頻器在對電機進行轉矩控制時，隨著電機轉速的增大，轉矩抖動誤差也會增大。

4 結 語

通過配置S120變頻器的硬件結構，設計變頻驅動控制系統的軟件參數,實現柴電燃模擬試驗系統中變頻器對三臺電機的軟件配置。通過對電機進行轉速控制與轉矩控制試驗以及分析試驗結果，得出以下結論：

1. 變頻器對電機進行轉速控制的精度很高，誤差在±1%以內。

2. 變頻器對電機進行轉矩控制時，隨著電機轉速的增大，轉矩抖動誤差也增大。在變頻器的實際應用中，應根據轉矩控制的具體精度要求選擇相應的電機轉速。

參考文獻：

[1] 雪豐，張新琦. S120變頻器在CSP平整機傳動系統中的應用[J]. 冶金自動化，2012(S1):235-240.

[2] 張桂臣. SINAMICS能量回饋節能技術在船舶軸帶發電中的應用[J]. 船舶工程，2010(2):43-46.