SM150变频器（精选3篇）
SM150变频器 篇1
目前中厚板轧机不断向高刚性、高自动化的方向发展。用户对产品的内在质量 (各种理化性能) , 外在质量 (成品的几何尺寸、厚度误差、凸度及平直度等) 的要求越来越高。而生产厂又希望在满足用户要求的前提下提高产量、降低消耗。这就对中厚板厂的轧机及其传动系统提出了较高要求。
该钢厂中厚板生产线工程, 按双4300mm轧机布置, 设计生产能力180万吨/年, 其主传动采用的是西门子公司的基于IGCT的三电平交直交变频调速装置SM150。SM150整流部分采用的是PWM整流技术, 因此可以实现四象限运行, 能量可以双向流动, 实现了网侧电流正弦化, 并且可以运行于单位功率因数, 真正实现了“绿色电能变换”。逆变部分采用的是基于磁场定向的矢量控制技术, 磁场定向控制是以交流电动机的双轴理论为依据, 仿照直流电动机的控制方式, 把定子电流中的励磁电流分量和转矩电流分量解耦开来。运用先进的控制技术使得采用矢量控制的交直交变频系统在低速时也能获得优良的静态和动态性能, 即使在零转速时也能有较大的力矩输出。因此完全满足中厚板轧机低速、大容量、有大转矩过载能力的要求。
1 变频调速系统的构成
SM150由以下七个部分组成。
IGCT功率元件、D445控制器、速度检测模块SM30、电压或电流检测元件AVT、电压传感模块VSM10、冷却设备、励磁部分。
2 变频调速系统的性能测试
在主传动交流调速系统调试运行期间对该系统的性能进行了测试, 其中粗轧机上部主电机的测试结果及分析如下:
2.1 稳态速度精度
测试条件:恒定负载, 速度给定为最大速度的60%, 记录时间为1.5s。
测试结果如图1所示。由图可知, 该调速系统的稳态调速精度<0.01%。
2.2 无载情况下速度控制的响应时间
测试条件:电动机不带载的情况下, 速度给定为2%的阶跃信号, 记录实际速度第一次达到给定值时的时间。
测试结果如图2所示。由图可知, 速度控制的响应时间为34.32 ms≤35 ms, 同时变频器的力矩输出值小于限制值。
2.3 带载情况下速度控制的响应时间
测试条件:电动机带载的情况下, 速度给定为2%的阶跃信号, 记录实际速度第一次达到给定值时的时间。
测试结果如图3所示。由图可知, 速度控制的响应时间为55 ms≤65 ms, 同时变频器的力矩输出值小于限制值。
2.4 反转时间
由图4可以看出, 电机从反向最大转速到正向最大转速的时间为1.6s。
2.5 转矩脉动
由图5可以看出, 在恒定转速和负载的条件下, 由电流脉动引起的转矩脉动小于0.8%。
3 小结
该厂中厚板生产线带负荷一次投运成功, 主传动设备运行良好, 可靠性高, 节能效果显著, 各项指标达均到了设计要求, 调速精度和动态性能达到国内先进水平, 对保证新厚板生产线的产品质量起到了至关重要的作用。
SM150变频器 篇2
关键词：SM150,交流变频,控制,电机
0 引言
宝特韶关大棒线2012年11月底投产, 生产准70~180的合金棒材;生产的钢种有优质碳素结构钢、合金结构钢、轴承钢、弹簧钢等;来料连铸方坯最大280 mm×280 mm×9 000 mm, 在来料进入连轧机前设置开坯轧制。开坯机自动化选用西门子的S7-400, 传动为西门子的电压源型中压变频器SINAMICS SM150。SM150在速度精度、速度响应以及在低频区间频繁正反转等各项性能上均实现了精确的控制, 达到了很好的效果。
1 SINAMICS SM150交流变频传动系统的主要特点
西门子公司全新推出的SINAMICS SM150中压变频调速装置, 在2.3~7.2 k V电压等级下可以获得高动态性能。它通过一个真正的标准程序, 对0~9 000 r/min范围内的传动速度进行精确的控制。采用成熟可靠的高压IGCT器件, SINAMICS SM150中压交流变频传动系统具有结构简单紧凑而且可靠性极高等特点。SINAMICS SM150采用电压源型矢量控制技术, 功率因数高, 高次谐波含量低, 三电平设计, 拥有灵活强大的通讯功能,
2 SINAMICS SM150交流变频传动系统在大棒线的应用
2.1 系统组成
系统组成如图1所示。
10 k V配电站提供一路三相交流电给整流变压器, 变压器为5 600 k VA、 (10±2×2.5%) k V, Dy5接法, 输出电压AC 3 300 V, 短路阻抗Uk=12.9%。另外有一路10 k V电源单独给励磁变压器供电, 变压器为530 k VA、 (10±2×2.5%) k V, Dd0接法, 输出电压AC 540 V, 短路阻抗Uk=6%。
SINAMICS SM150的整流及逆变单元功率器件采用西门子公司的高电压、大功率IGCT, 在交流电压3 300 V等级时, 单线路组态下容量可达到10.5 MVA。
SINAMICS SM150 的控制系统包含D445 闭环控制器、PSA、操作面板、检测元件、各种稳压电源等。D445不仅负责处理内部运算, 同时将与PLC、励磁以及其他辅传部分的通讯接口、软件及程序等包含在内。PSA为光电隔离器, 将来自D445的电信号转化为光信号控制命令, 并传输给IGCT, 同时在两者之间起到光电隔离作用。检测元件主要包括编码器接入模块SMC30, 检测电流和电压并进行模数转换的AVT组件, 用于检测变压器高压侧即电网端频率、相位和电压的传感模块VSM10。
SINAMICS SM150同其他大中型变频器一样, 均采用水冷。配置一个小型的水冷却系统, 对内部的功率器件进行冷却, 提高功率器件的运行稳定性。
大棒线开坯机主电机为同步电机, 采用独立的励磁系统。由西门子6RA70直流调速装置对电机转子提供直流励磁电流, 6RA70由D445控制系统控制。
2.2 整流单元的控制
整流单元为直流母线提供稳定可控的三电平直流母线电压, 同时可将系统中产生的制动回馈电流返回到电网中。本系统中, 直流母线电压为4 800 V。控制方法为根据所带负载及逆变单元选择合适的参考直流电压, 通过电压反馈, 得出电压差值, 通过PI调节器及限幅运算, 转化为电流参数。对该电流进行有功和无功分解, 采用脉宽控制技术, 输出控制信号对整流装置IGCT的开度进行控制, 得到稳定可控的三电平直流母线电压。
2.3 逆变单元的控制
通过整流单元的控制, 得到的三电平控制电压直接提供给逆变单元。为更好地得到负载的动态性能, 逆变单元均采用闭环控制, 主要包含速度环、电流环、电压环等。
速度环:根据需要选择对应的速度设定给定值, 由编码器反馈产生的速度反馈值与给定值进行比较, 得出ΔV, 再进行PID调节, 直至使速度输出值达到要求的精度及响应时间。
电流环:根据负载大小及速度的要求, 对速度控制的结果进行限值、过滤等处理, 计算出最终的力矩和电流参考信号。
电压环:通过电流控制环的计算, 电压控制环得到关于磁通的θ角参数。按以下公式计算三相电压参数:
式中, X、Y为中间量;D为ED_R;Q为EQ_R。
那么:
速度检测:使用霍伯纳重载型编码器作为速度反馈。
2.4 SM150对电机的基本要求
根据工艺及设备要求, 开坯机主电机选用3 300 V、4 800 k W、转速0~60 r/min的同步机, 为了更好地发挥主传动SM150的各项性能, SM150对电机的各项指标参数有如下要求:
(1) 电机F级绝缘, B级温升。
(2) SM150传动装置对该同步电机的主要参数要求如下:额定电压 (max) 3.3 k V, 电压上升率dv/dt≤6 k V/μs, 尖峰电压8.4 k V, 直轴超瞬态电抗<0.2 p.u.。
(3) 为保护电机轴承, 电机负载侧的轴承必须为绝缘轴承。
(4) 为防止轴电压局部放电, 在电机负载侧必须装设接地电刷。
(5) SM150逆变单元到电机接线盒的距离不大于50 m。
(6) 变压器到SM150的距离不大于50 m。
大棒线开坯主电机主要参数如下:同步凸级电机12级, 4 800 k W, 0~60/120 r/min, S9工作制, F/F绝缘, 115%连续运行, 250%/60 s (基速过载) , 275%/10 s (基速) , 200%/60 s (高速过载) , 6/12 Hz, 额定电压3 150 V, 最高工作电压3 300 V, 额定励磁电流618 A, 强励倍数不大于4倍, 直轴超瞬变电抗Xd″ =0.194 p.u., 转动惯量J=20 800 kg·m2。
2.5 性能考核
2.5.1 速度精度
速度精度分为空载速度精度和带载速度精度, 空载表示在不带机械设备的情况下电机的速度精度, 满足±0.01%;带载表示在带机械设备的情况下电机的速度精度, 满足±0.03%。
2.5.2 速度响应
通过速度的阶跃给定 (最高速度的0.2%~0.5%) , 测试传动的响应速度和精度, 结果如图2所示。
在空载时, 速度的响应时间ta<50 ms。带载时速度的响应时间ta在75~100 ms之间。最大超调低于43%。
3 结语
SM150变频器 篇3
关键词：传动,SM150,SIMOTION,D445,控制系统
热精轧轧机项目是为本公司铝合金生产线1+1项目的重要组成部分。热精轧机最大轧制力为35000KN, 最大负弯辊力为2000KN;最大正弯辊力2000KN。轧机成品厚度范围2~18mm, 轧制宽度800~1800mm, 轧制速度0~360m/min, 最大卷重21, 300kg, 卷取卷径内径610mm外径2450mm。
2 热精轧机电气控制系统组成
精轧机电气控制系统组成精轧机控制系统包括执行机构系统 (L0) , 基础自动化系统 (L1) 、模型计算机 (L2) 、HMI操作站 (包括服务器) 和1套数据采集分析系统 (PDA) 及特殊仪表操作终端。其中L0级的控制系统有SIMOTION D445控制器, 与L1级的控制系统TDC系统之间通过PROFIBUS总线进行通讯, 基础自动化系统L1包括1套S7-300F急停系统和精轧机TDC系统与L2级通过TCP/IP方式讯。所有PC计算机间以及计算机到PLC、TDC系统之间通过TCP/IP方式通信。系统网络采用西门子公司的10/100mbps的快速工业以太网, 使用“思科”的交换机实现网络间的数据交换。
3 西门子S M150的概述
精轧机主传动系统采用了西门子公司近几年才推出的电压源型中压变频器SINAMICS SM150, 是西门子在中国应用比较成功的中压传动控制系统。它的控制精度高, 性能稳定, 维修方便。
3.1 选型依据
在SINAMICS家族中, G系列的主要用于风机、水泵、空压机等要求控制精度不高的场合;所以不适合控制精度要求较高的主轧机上, 功率最大1500Kw, 所以容量不够。S120属于低压范畴, 电压主要在380V~690V, 本项目电压3300V, 电压等级不够, 功率最大为1200Kw, 也达不到项目要求。S150最大功率容量为1200Kw, 也达不到项目要求。
SM系列是中压产品, 功率元件采用IGCT模块, 适合于高压大功率的场合, 目前本项目电机功率6000Kw, SM系列最大28000KW, 满足于不同的产品需求, 所以采用SM150。
3.2 SM150的理论基础
SM150中压变频器是属于交直交变频器, 由整流器、滤波系统和逆变器三部分组成。
整流器:将固定频率和电压的交流电能整流为直流电能, 可以是不可控的, 也可以是可控的。SM150是可控的。
滤波器:将脉动的直流量滤波成平直的直流量, 可以对直流电压滤波 (用电容) , 也可以对直流电流滤波 (用电感) 。SM150是使用电容滤波。
逆变器:将直流电能逆变为交流电能, 直接供给负载, 它的输出频率和电压均与交流输入电源无关, 称为无源逆变器。它是变频器的核心。
在整流和逆变环节采用的功率模块为大功率的IGCT功率元件。
整流和逆变的功率元件硬件设备是完全一样的, 其控制功能是不同的。功率模块由三块不同的相位元件组成。每个相位元件有3个并联的夹紧压杆。每个相位元件安置在四个IGCT功率半导体和水冷却体之间, 以此使组件得到双面冷却。此外, 每个相位元件安装有4个空程二极管、2个中点二极管和2个端子接线。每个端子接线由一个开启平衡电抗器、一个接线电容器和一个接线电阻组成。开启平衡电抗器位于相位元件旁, 接线电容器和电阻位于相元件的下部区。
3.3 SM150中压产品的优缺点
优点:对电网的不良响应小, 无无功功率, 极低的谐波。SM150中压系统采用三电平控制, 三电平中点钳位式变流器在中高压大功率场合应用中相对于传统两电平变流器所表现出来的明显优势:具有输入功率因数高、输出频率高、无需无功补偿, 减少高次谐波等显著优点, 特别是在低速时, 输出负载电流也能够连续。
缺点:与交交变频相比比较复杂, 较低的过载能力, 较大的占地面积。
4 主电机
轧机主传动电机采用上哈尔滨电机厂生产的交流同步电动机, 同步电动机可以对电网的无功功率进行调节, 以改善电网的功率因数, 提高电网的运行经济性及电压的稳定性。
5 S M150的控制核心
SM150的控制核心SIMOTION D445控制器。
5.1 SIMOTION D445控制器硬件组成
控制模块SIMOTION D445包含和传动其他部分通讯的以太网接口、软件和传动程序等。主要如下:
(1) 8个状态指示灯;
(2) 8个数字量的输入和8个双向DI/DO, 其中4个是快速DI; (3) 提供24V直流电;
(4) 可以扩展接口 (CBE30) ; (5) 2个以太网接口;
(6) 2个PPROFIBUS-DP-DP接口, 一个接口为DP口, 另外一个接口是DP和MPI通用接口;
(7) DP地址选择拨码 (DP地址也可以软件设置) ; (8) 闪存卡。
其中, 现场总线用PPROFIBUS-DP和Profi-net、Drive-Cli Q (编码器接口板SM30、端子板TM15、TM31、CX32等采用Drive-Cli Q与D445通讯) 等通讯。
5.2 SIMOTION D445控制器的软件
SM150应用软件为Scout软件, Scout软件必须在Step7软件环境下安装。
在实际编程语言中, 编程方式可以采用以下几种方式:可以以流程图的方式对机器程序顺序进行图形化编程;
采用LAD (梯形图) 、FBD (功能结构图) 、CFC语言方式进行编程;
可采用ST高级编程语言, 主要用于SM150系统的通讯, 如D445与TDC、触摸屏等数据通讯;
此外, 在D445中, 逻辑顺序合闸功能采用CFC软件编程实现。
5.3 SIMOTION D445控制器控制功能
SIMOTION D445控制器是由SIMENS TDC控制器 (即上位机) 通过PROFIBUS实现数据的传输和控制。
6 项目运行
热精轧机系统经过了试车, 完成了辊缝调零、刚度测试、换辊测试、空负荷试车等。后经过热负荷试车, 主轧机运行平稳, 各项技术指标达到了设计要求, 速度精度达到额定转速的±0.01%, 转矩精度达到额定转矩的±5%。
7 应用体会
通过这次SM150的主轧机系统调试, 熟练掌握了整个SM150的调试技术。与以前的西门子产品相比, SM150除具备原有SIMOVERTML2等系列产品的特点外, 还具备以下新特点:SM150应用界面主要采用图形化的方式;采用数结构, 可以进行方便的查询, 如可查询硬件组态、通讯状态信息、电机状态信息等;还可以仿真调试、数据采集跟踪, 界面友好;可以转为专家模式;编程可灵活采用多种方式实现完成多种工艺控制。
参考文献
[1]西门子控制器TDC用户手册.[1]西门子控制器TDC用户手册.