全数字直流调速系统的应用

1、数字直流调速系统毕业论文（设计）数字直流调速系统的应用-8 -数字直流调速系统本文介绍了数字直流调速系统的组成，工作原理，自动调节的过程和 工作特性，并通过实际的模拟电路定性的分析自动控制系统的方法。介绍 了西门子 SIMOREG K 6RA24直流数字式调速装置的使用方法，调速系统的设计思路，以及全数字控制系统的优越性。关键词：数字直流调速系统，直流电动机,SIMOREG K 6RA24 直流调速装置AbstractThis article in troduced the digital cocurre nt velocity modulati on system compo siti on

2、, the principle of work, automatic con trol pro cess and op erati onal factor, and through actual an alogous circuit qualitative an alysis automatic con trol system method. I ntroduced Sime ns SIMOREG K 6RA24 directs curre nt thedigital speeder application method, the velocitymodulationsystem desig

3、n men tality, as well as en tire nu merical con trol system sup eriority.Keywords: Digital cocurre nt velocity modulati on system, direct curre nt motor, SIMOREG K 6RA24 cocurre nt sp eeder为了更好的巩固所学的自动化知识，学以致用，我选择了数字直流调速系统的应用 作为毕业设计课题。我从直流调速系统的发展现状入手, 着重分析学习和分析了双闭环直流调速系统的结构和工作原理。在此基础上又学习了西门子6RA24的直流

4、调速装置的使用方法，对它的结构及操作6RA24直流调有一定的了解。并且结合工作中生产车间现有的设备组成了速系统，进行了实际现场的应用，对西门子6RA24直流整流装置在现代工业自动化项目中的应用有了一定的认识，期间收获颇多，受益匪浅。设计人：汝晓育2008年9月16日扌I 却,、一冃“言,I,第一章直流调速系统简介1.1直流调速系统概述”,，”,1.2直流调速系统的数字化,第二章双闭环直流调速系统2.1双闭环直流调速系统的组成,2.2双闭环调速系统的机械特性,动态数学模型和动态抗扰性能分析”，”,3.1硬件介绍，”,，”103.23.33.3.13.3.2工作方式*_* I 厂丿V 亠7 ，门门

5、门门门门门门门门门 子分酉己，”,”,，”,”,，”,”， 功率单兀, 励磁回路, 开环与闭环控制部分, 应用实例111111123.3.3第四章1数字调速系的统组成,13152.32.3.1双闭 环直流调速系统 的动态数 学模型,2.3.2动态抗扰性能分析,第三章6RA24直流调速装置简介16162 . 2 头际操作, 6RA24 SIMOREGK整流装置图 结论口 xLj门门门门门门门门门门门门门致谢参老文献1721222324第一章直流调速系统简介1.1直流调速系统概述直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速，以满足工作机 械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电

6、压等方 法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特 性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。调速一般通过给定环节，中间放大环节，校正环节，反馈环节和保护 环节等来实现。电动机的转速不能自动校正与给定转速的偏差的调速系统 称为开环控制系统。这种调速系统的电动机的转速要受到负载波动及电源 电压波动等外界扰动的影响。电动机的转速能自动的校正与给定转速的偏 差，系统不受负载及电网电压波动等外界扰动的影响，使电动机的转速始 终与给定转速保持一致的调速系统称为闭环控制系统。这是由于闭环控制 系统具有反馈环节。电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置三部分组成。它能按照规定的

7、指令，及时的控制电动机的启动、制动、运转方向、位置、 速度和加速度等，以满足工作机械及生产过程的要求。随着电机、传感器、控制器件、变流技术和控制理论的发展，电气传 动控制系统也得到了很大的发展。目前，所用电机的单机容量从几百瓦发 展到数万千瓦，变流设备从旋转式电机变流机组发展到大功率晶闸管静止变流装置，中小功率自关断器件静止变频装置;控制单元从模拟量触发器、调节器、给定积分器发展到以微处理器芯片为核心的交、直流通用的数字 量控制模块；系统的控制方式从手动操作的开关控制发展到闭环多参量控 制；电气传动以从单纯的调速系统扩展为实现位置、速度、加速度控制的 运动控制中的重要分支。总之，现代电气传动控

8、制系统业日新月异，已发展成为全新的电气传 动自动化系统。1.2直流调速系统的数字化随着微电子技术、微处理机以及计算机软件的发展，使调速控制的各 种功能几乎均可通过微处理机，借助软件来实现。即从过去的模拟控制向 模拟-数字混合控制发展，最后实现全数字化。在数字化系统中，除具有常规的调速功能外，还具有故障报警、诊断及显示等功能，同时，数字化系统通常具有较强的通信能力，通过选配适当的通信接口模板，可方便地实现主站（如上一级PLC或计算机系统）和从站（单机交、直流传动控制装置）间的数字通信，组成分级多机的自动 化系统。为了易于调试，数字化系统的软件，一般设计有调节器参数的自 动化优化，通过启动优化程序

9、，实现自动寻优和确定系统的动态参数，以 及实现如直流电动机磁化特性曲线的自动测试等，有利于缩短调试时间和 提高控制性能。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的 全数字交、直流调速装置产品可供选用，新开发的调速系统几乎全是数字 式的。与模拟系统类似，全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大技术更先进,类。但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优点, 操作更方便，界面更直观。数字调速系统与模拟调速系统相对比，技术性能有如下优点:1)静态精度高且能长期保持。2)3)调速范围宽。4)电压波动小。5)参数设定实现软件化，无漂移影响。6)所用元件数量少，不易失效。7)设定值量化程度高，

10、且状态重复率好。动态性能好，借助于丰富的软件，易于实现各类自适应和复合控制。放大器和级间耦合噪声很小，电磁干扰小。调试及投产灵活方便，易于设计和修改设计10）标准及通用化程度高，除主CPU莫块外，数种附加模块可实现，包括工艺参数在内的多元闭环控制。11）适用范围广，可实现各类变速控制及易于实现与PLC系统通信。因此，数字化调速系统将必然在未来的调速设备中得到大量广泛应 用。第二章双闭环直流调速系统2.1双闭环直流调速系统的组成双闭环直流调速系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，系统结构图如图 2-1所示。9图2-1转速、电流双闭环直流调速系统结构图ASR 转速调节器ACR 电流调节器TG

11、测速发电机TA 电流互感器UPE 电力电子变换器该系统有两个反馈回路,转速调节器 ASR和电流调节器 ACR实行串级联接，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPEo从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图中速度调节器和电流调节器均为比例加积分（PI）调节器，其输入和 输出均设有限副电流。转速环要 求电流 迅速 响应 转速的变化，而电 流环则要求维持电流不 变。这种性能会不利于电流对转速变化的响应，有使静特性变软的趋势。但由于转速环是外环，电流环的作用只相当转速环内部一种扰动而已，不ASR

12、的积分起主导作用。只要转速环的开环放大倍数足够大，最后仍能靠 作用，消除转速偏差。2.2双闭环调速系统的机械特性2 2中的a段所由于ASR为PI调节器，系统为无静差，稳态误差小，一般讲来，大多能满足生产上的要求。其机械特性近似为一水平线，如图示。当电动机发生严重过载，并当I > le时，电流调节器将使整流装置输出电压明显降低，这一方面限制了电流继续增长，另一方面将使转速迅速下降，出现了很陡的下垂特性，见图2 2中的b段。A,图22 双闭环调速系统的机械特性2.3动态数学模型和动态抗扰性能分析2.3.1双闭环直流调速系统的动态数学模型双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-3所示。图中WA

13、SR（S）和毕业论文(设计)数字直流调速系统的应用Wacr (s)分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。0*-10 -232动态抗扰性能分析般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。对于调速系统,最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动的性 能。1抗负载扰动负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。见图2-5所示。+Un*U ncACRKsTsS+1nn Ti TmS1/1/Ce图2 5抗负载扰动毕业论文（设计）数字直流调速系统的应用-17 -2、抗电网电压扰动电网电压变化对调速系统也产生扰动作用，如图2-6 。双闭环系统中,由于增

14、设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节。图2- 6抗电网电压波动第三章6RA24直流调速装置简介3.1硬件介绍在这次设计中我所选择的产品定货号代码6RA2413 6DV62 0。其含义为：6RA24表示SIMOREGK第四代，13表示额定直流电流为15A, 6表示晶闸管模块熔断器需装在外部,D表示额定电源电压为400V ,V6表示四象限工作全数字闭环控制,2表示带励磁整流器，0表示欧洲生产。6RA24 SIMERG K整流器为全数字紧凑型变流器，输入为三相电源,作为额定电流15 A至1200A的直流变速驱动电机的电枢和励磁电源。将SITOR并联在紧凑型整流器上，额定电流可达3

15、600A，最大励磁电流可达到30A （此电流取决于电枢额定电流）。根据需要整流器可以单象限和四象限工作。SIMOREGK整流器极为紧凑，15A单元即可以水平安装在柜内安装板上,或竖着安装（可省空间），也可以安装在抽出式支架上。由于标准设计各组件易于接近便于维修。电子箱装有基本电子板和附加板，易于移动和旋 转。外部信号（开关量输入/输出，模拟量输入 /输出，脉冲编码器等）不接到基本电子板，而是接到单独安装的端自组件上。用两根扁平电缆传递 基本电子板和端子组件之间的信号，两条两米长屏蔽电缆可以选用（定货 号6RX 1240 - OAP20）这样端子组件可以安装在整流器外面柜内任何位置上。共有4个模

16、拟输入，5个模拟输出，8个开关量输入和 4个开关量输出信号可利用。装置软件已在插入式EP ROM!件中，很容易替换。SIMORE（整流器可以用简易操作面板上三个键和5个7段显示器进行参数化，简易操作面板装在电子板上。为了利用非编码普通文本进行参数化或者同时显示两个观测量，可选 用变流器操作控制面板。整流器也可以用电子板RS232接口与通用PC和相应的软件进行参数化，PC接口在停车时用于启动，维护/检修，在进行时PC接口用于故障诊断，所以它是服务接口。单象限工作的整流器，电枢电压由三相全控整流桥提供，四象限工作的变流器采用两个三相全控桥反并联无环流方案。励磁供电回路采用单相半控桥方案（B 2HZ

17、 )电枢和励磁的供电频率可以不同（45-65HZ范围内）电枢回路的供电相序不要求。15A额定电流的整流器包括驱动回路在内的功率部分，装在一块印刷板上，15A至600A的整流器给电枢和励磁供电的功率部分采用绝缘型组件, 所以其散热器是绝缘的，功率部分端子盖和机座具有防止工作人员在整流 器附近工作时意外接触的保护功能。所以端子连接从前方出线。640A至1200A的整流器，其功率部分由6个SITOR单元组成。它们排列在抽出式框架中的构架上，基本构架由绝缘元件和母线构成，以便容纳SITOR单元的个SITOR单元，SITOR的功率部分位于后面，电子部分安装在 正面，这种方式，可以使电子部分旋转出来。3.

18、2工作方式所有的开 环和闭 环驱 动控 制及通 讯功能由功 能极强的16位微处 理器实现。由整流器铭牌上规定的额定电流（连续直流电流）可以过载150%而过载的持续时间和整流器有关。微处理机周期地计算功率部分的211值。当整流器过载时，不至烧毁晶闸管。3.3端子分配3.3.1功率单元功率单元端子类型15A整流器印制线路板端子2（2.5mm多股绞线）30A2螺旋端子（10mm多股细绞线）60A2螺旋端子（16mm多股细绞线）90A-250A1U1 1V1 1W1:M 8螺母（3X 20铜母线）1C1 1D1: M10螺母（4X 25铜母线）400A1U11V1 1W1 :M10螺母（3X 30铜母

19、线）1C1 1D1: M10螺母（3X 40铜母线）600A1U11V1 1W1 :M10螺母（5 X 30铜母线）1C1 1D1: M10螺母（5 X 40铜母线）640A-1200A电源接 头位于SIMORE（整流器的后方整流器装在柜内，如果柜体有后门，那么这些接头易于接线，使 用接线组件，从侧面或前面接线也是可能的。直流 和交流接线电缆应按照DIN VDE .0298规定选取，采用电缆接头连接电缆，不用任何垫圈或弹垫将电缆 接头与整流母线锁紧。连接数值可能的设置电枢电源输入1U1P 0711V1参考技术数据1W1P 072保护接头接地P100电枢回路-电机连1C1( 1D1)P101接1

20、D1( 1C1)332 励磁回路励磁回路端子类型15A2印制线路板端子2.4mm多股绞线30-600A整流器640-1200A整流器65/4整流器端子（螺旋端子）最大面积2最大截面10mm24mm电子器件电源接头类型MSTB2.5插入式接头，最大横截面功能接头XF连接数值可能的设置供电连接3U12 相 AC400(+15%/-20%)P1023W1额定直流电压325 V励磁连接3C3D功能接头连接数值可能设置电源5U15W12 相 AC400(+15%/-25%)In =0.5A (-35% 1分钟)1.5mm风扇（强迫风冷整流器丝00A）4mm接头类型：G6/4整流器接头（螺旋接头）最大横截

21、面积连接数值/说明4U1200-600A 整流器电源4V1三相 AC400 (± 15% ；0.18A 90W4W1600A以上整流器保护接头PE接地2X 120W333开环与闭环控制部分接头类型:模拟输入双排印刷板端子（螺旋式接线）或MSTB2.5插入式端子最大横截面1.5mm设定输入参考电压MKKDS 1.5功能端子连接数值/说明可能的设置参考点 M1+ 53在 25 C时（稳定度 0.1%10P102K） 10mA短路保护P102N103选择输入主设定点+4差分输入S4主设定点5S4-位置 1 :+ 10V;515K QP 701-分辨率：近似 0.6mvP 702S4-位置

22、2 : 0-20mA;300 QP 7034-20mA; 300 QP 704注意：应用这个选择输（通过开关量选择，实现极性反向）入，必须连接端子 5允许的共模抑制电压：土 15V选择输入模拟+6差分输入S5模拟-7S4-位置 1 :+ 10V;515K QP 711分辨率：近似 0.6mvP 712S4-位置 2 : 0-20mA;300 QP 713注意：使用选择输入，必4-20mA; 300 QP 714须连接端子7（通过开关量选择，实现极性反向）允许的共模抑制电压：土 15V选择输入模拟281 +10V 52K QP 716模拟地9分辨率近似 10.8mvP 717P 718P 719

23、选择输入模拟310+ 1 9V 52K QP 721模拟地11分辨率近似 10.8mvP 722P 723P 724模拟输入-速度实际值、测速机输入功能端子连接数值/说明允许设定值测速机101± 250V;438 K QP 08380V-250V102± 80V;138 K QP 706输入25V-80V103± 25V;44 K QP 7078V-25VP 708测速机地104P 709毕业论文(设计)数字直流调速系统的应用第四章应用实例4. 1数字直流调速系统的组成该系统由6RA24直流调速装置，直流电动机，测速发电机和磁粉制动 器组成。6RA2 4直流调速装

24、置由电子板，电源板，功率单元和触发板组成。软件板插在电子板上。功率单元和触发板包括电流检测装置，电枢和励磁回路的触发电路。电源板包括提供电子板所需的直流电源，用于检测的直流电源，电枢负载电阻和安全停车用电源。电子板包括开关量的输入输出,模拟量的输入输出和放于电子板上的软件板。进线由3相交流380V电源直接提供，经过熔断器和进线电抗器传输给功率单元和触发板。供电回路的进线电抗器应按电动机电枢额定电源来选取。交 流侧的 电流互 感器 将检 测到的 电流传 输给“用 于电枢 和励磁 的控制”，从交流侧取同步信号，经脉冲变压器触发晶闸管。电枢回路的直流电压用于电动势反馈，励磁回路的电流经过变换作为励磁

25、电流反馈。与电动机相连的是一台测速发电机和一台测速码盘。二者均为速度反馈。它们之间的区别在于：前者将速度的测量转换为一个模拟信号，通过模/数转换作为速度反馈，后者则转换为一个数字信号作为速度反馈。在工作时，可采用任何一个作为反馈信号就可以了，和前面提到的电流检测装置够成一个转速、电流双闭环调速系统。般都为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器采用PI调节器。转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中起到了非常重要的作用。转速调节器作用(1) 使转速跟随给定值变化，稳态时无静差。(2) 对负载变化起抗扰作用。(要求转速调节器具有良好的抗扰性能指标，电流调节器电流环具有良好的跟随性能。

26、)(3)其输出限幅值决定最大电流。电流调节器作用:(1) 对电网电压波动起及时抗扰作用。由于增加了电流内环，电网电压扰动被包在电流环里面了，当电网电压发生波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响转速后才有所反映。(2)电动机启动时保证获得的最大电流。(3) 在转速调节过程中时电流跟随其给定值变化。(4)当电机过载，甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用，如果故障消失，系统能够自动恢复正常。电枢和励磁的控制可通过PLC给定的外部命令如：点动，爬行，运行-20 -以及急停等命令。另外，模拟量的输入可通过外加10 K Q电位器进行。然后，通过模数转换为数字信号。模

27、拟量的输出作为显示，如电流或电压。开关量的输出作为正常运行或故障。我们选用的直流电动机的数据为：输出功率0.9KW,电枢电压220V ,电枢电流5.75A,励磁电压220V ,励磁电流0.9A,额定转速2000r/mi n。4. 2 6RA24全数字调速装置参数设置4. 2. 1操作面板简介简易操作面板简易操作面板位于整流器门后的底部右侧，它包括5个7段数码显示单元；三个作为状态显示作用的发光二极管，和三个用于参数设置的按键。使用简易操作面板，可执行运行时所需的全部配置，设定和测量工作。BB B ST 毕业论文（设计）数字直流调速系统的应用数的变址编号（变址方式）之间的转换。BB选择键运行ST

28、故障选择键 上升键下降键选择键参数编号(参数方式)，参数值(数值方式)和变址参加快上升或下降键操作的速度变化。故障确认。上升键在参数方式时，选择更高的参数编号，当达到最大的参-25 -数编号时，再按一下该键。编号就跳跃至编号的另一极限（最大与最小编 号相邻）。在数值方式时，增加选定和现实的参数值。在变址方式时（变址参数）增加变址。启动一个有参数P 051选择的功能（如优化进行）同时按下下降键，上升动作加速。下降键在参数的方式时选择更低的参数编号，当达到最小的参数编号时，在按下一该键，改编号就跳跃到编号的另一极限（最大编号与 最小编号相邻）。在数值方式时，减小选定和显示的参数值 在变址方式时，（

29、变址参数）减少变址终止一个有参数P051选择的功能（如优化运行） 同时按下上升键，下降动作加速。发光二极管功能:准备（BB）绿色发光二极管绿色发光二极管亮整流器处于“等待运行命令”状态运行（B）黄色发光二极管黄色发光二极管亮整流器处于“转矩方向接通”（Ml、Mil、MO)故障（ST）红色发光二极管红色发光二极管亮整流器处于“故障”状态红色发光二极管闪烁报警4. 2. 2 实际操作实验时，可以按照6RA2 4书中的所示启动篇，进行参数的设置。首先P051=21将参数值恢复到工厂设定并执行一个整流器内部的偏 差调整。然后设置下列参数:P070=2触发板类型（2为400V或500V直流整流器用触发板

30、）。P071=380V整流装置额定直流电压P072=15A整流装置额定电枢电流P073=3A整流装置额定励磁电流P074=2四象限整流器P076=1功率单元（欧洲用6RA2 4整流器）接下来，按面板上的上升键进行初始化，之后设置下列参数:P051=40授权操作人员的参数访问权P052=3显示所有参数设置电动机铭牌上的额定数据:P100=5.75A电动机额定电枢电流P101=220V电动机额定电枢电压P102=0.9A电动机额定励磁电流P114=电机热时间常数设置有关速度实际值传感器:P083=1速度实际值由“主实际值通道”提供,即带模拟测速机的运行P706=2-270V-+270V在n max

31、时额定输入电压maxP708=30测速机接到端子103 （范围8V 25V）P083=3速度实际值由“ EM实际值通道”提供，即无测速机的运行P115=58%不带测速机工作时最高转速下的电动势设置励磁数据:P082=2在达到07或更高的运行状态后，经过参数化 P258设定的时间后，可用自动投入P257设定的固定励磁。设置基本工艺功能，可以设定:P171=50%la电动机电枢电流限幅 P172=-50%la电动机电枢电流限幅 P180=50%Me电动机额定转矩限幅 P181=-50%Me电动机额定转矩限幅同时，6RA2 4中还配有最优化设置，这个装置可以自己进行优化。我们可以通过参数P051选择

32、下列之一的优化运行。P051=25电枢和励磁前馈控制和电流控制的优化。（持续时间 40S），参数 P110, P111, P112, P115, P156P255,P256,P884,和P887自动地被设定。P110=4.838电枢回路电阻P111=17.98电枢回路电感P112=203.5磁场电阻P155= 0.05电枢电流调节器比例增益P156=0.005电枢电流调节器积分作用时间P255=2.33励磁电流调节器比例增益P256=0.1励磁电流调节器积分作用时间P051=26速度调节器优化（持续最少6S）P051=27参数 P225,P226和P228自动地被设定弱磁的优化运行（持续时间约

33、1分钟）参数 P117,P1392.00版本以上 P275和P276也被自动设定SIMORE（整流器转换到运行状态必须处于07.0或更高，几秒钟后，进入状态07.0，等待端子37接通。至此，优化过程结束。这是装置自带的优化程序，还有手动优化程序等，可以自行设置。输入参数结束后，可以开动电动机，正式工作。可以设定下列参数:P628=P099P099=10%给电机所加的正给定P099=-10%给电机所加的负给定这样可以实现电机的正反转运行。可以通过端子 39和40设定电机的点动和运行状态P761=13点动对于系统的运行，点动，爬行，我们可以通过PLC来实现。P401=5%点动速度P762=15爬行P402=5%爬行速度运行12开关合点动23开关合爬行24开关合另外,通过6RA24直流调速装置参数设置并用磁粉制动器模拟负载实验，实 现