西门子变频器在步进炉改造中的应用(图文)

1、西门子变频器在步进炉改造中的应用(图文)论文导读：交-直-交变频器由整流器、中间直流环节和逆变器三局部组成。逆变器输出的电压为矩形波，而电流波形接近正弦波。这种变频器的再生制动比拟困难，如果要实现再生制动，需额外附加逆变装置，这种变频器为电压源型变频器。在0HZ升到补偿结束频率时，电压补偿减少到0。关键词：整流，逆变，再生制动，电压补偿1.引言包钢无缝厂的步进式加热炉将均整后的无缝钢管进行预加热，使其到达三辊定径机轧制所需要的温度。其控制功能主要包括输入/输出辊道变频调速精确定位，辊道高度自动调整和步进梁升降和横移比例流量控制等，通过检测元件与PLC配合实现整个步进炉与定径机和炉前设备的全自动

2、控制。原步进炉控制系统的PLC是由西门子SIMATICS5135U通过开关量实现对步进炉区域的在线设备进行手动和自动控制。由于系统老化、线路繁多和抗干扰能力差等原因，近年来系统故障率很高，造成设备运行不稳定，维护困难。2006年9月，对原系统进行了升级改造，炉内输入/输出辊道变频调速系统采用西门子6SE70系列变频器。6SE70系列变频调速系统低能耗，调速范围广，具备良好的静、动态特性。2.异步电动机交-直-交变频调速系统2.1 变频器的组成交-直-交变频器由整流器、中间直流环节和逆变器三局部组成。根据中间环节滤波方式的不同，变频器分为电压源型和电流源型两种。在交-直-交变频器的中间环节并联大

3、电容器进行直流滤波，直流环节电压比拟平直，电源阻抗很小，是一个内阻很小的电压源。逆变器输出的电压为矩形波，而电流波形接近正弦波。这种变频器的再生制动比拟困难，如果要实现再生制动，需额外附加逆变装置，这种变频器为电压源型变频器。在交-直-交变频器中间直流环节采用电抗器进行滤波，整流器电源阻抗很大，可以近似一个恒流源。这种变频器输出电流为矩形波，输出电压近似正弦波。这种变频器在在降速或停车过程当中，逆变器频率突然降低，低于电机旋转频率时，电动机转速超前于磁场转速，此时逆变器处于整流工作状态，而整流器处于逆变工作状态，将电动机的机械能量转换成电能回馈回电网，从而到达制动和调速目的，这种变频器为电流源

4、型变频器。西门子6SE70系列变频器是一种电压源型变频器。2.2电压型交-直-交变频器转速开环调速系统在电压型变频调速系统中一般采用开环控制,其控制电路有两个控制环节，一个是电压控制环节，一个是频率控制环节。电压控制环节采用相位控制原理实现电压的调节，频率控制环节采用恒磁通协调控制的变频原那么，由v/f变换器、环型分配器和脉冲功率放大器三局部组成，v/f变换器将Uk转换成具有一定频率的脉冲列，环型分配器再按六个脉冲一组依次分配给逆变器，分别触发桥臂上相应的六个晶闸管。脉冲功率放大器主要作用是脉冲功率放大和保证脉冲宽度180度。逆变器输出频率在50HZ以下时，为了减小脉冲变压器的体积和改善脉冲波

5、形，对环型分配器送来的脉冲信号进行高频调制。【1】2.3脉宽调制PWM变频调速系统PWM型逆变器可以通过改变脉宽控制其输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。根据供应逆变器的直流电压是否可调，脉宽调制有两种控制方式。第一种为脉冲幅值可调PWM型逆变器,可控整流桥与一般晶闸管系统一样采用相位控制，通过改变触发脉冲的相位角来获得与逆变桥输出频率相对应的大小不同的直流电压。逆变器只作输出频率控制，按脉冲调制方式进行工作。第二种为恒幅PWM型逆变器，二极管整流桥输出恒定不变的直流电压，经中间环节送到逆变桥，通过调节逆变桥输出的脉冲宽度和频率，来实现既调压又调频。这种类型的逆变器目前应用较为广泛，它

6、不但主回路简单，而且由于这种PWM型逆变器输出交流电压的大小和频率直接由逆变桥决定，所以调节速度快，系统的动态特性好。另外，它的输入功率因数高，而且多个逆变桥可以接在一个公共直流母线上，便于实现多台电动机调速。图(一) IGBT组成的脉宽调制型变频器如图(一)所示,6SE70交-直-交变频器就是通过逆变桥既调频又调压，逆变单元主回路采用IGBT功率元件，整流单元采用晶闸管三相全控桥，在正常情况下，根据逆变器对直流电压的要求，通过调整整流单元参数确定好角的大小后，整流输出电压根本保持不变。3.西门子6SE70变频调速系统3.1西门子6SE70系列变频器的控制方式西门子6SE70系列交-直-交变频

7、调速系统包括FC板、VC板、SC板三种控制方式。FC板是频率控制方式，采用开环控制，在对控制精度要求不是特别高的场合使用，无缝厂目前大局部使用的都是此种控制方式的变频器。VC板采取矢量控制方式，SC板采用直接转矩控制，这两种控制方式一般采用闭环控制方式，适用于调速要求特别高的场合。步进炉出炉辊道由十台电机组成，单台电机功率4KW，属于多负载控制系统。出炉辊道正转时要求实现高、低速控制，且低速时速度值随定径机入口辊道的速度变化而变化，反转通过固定的设定速度来实现。3.2辊道变频器主回路结构及外部保护回路主回路整流单元采用三相全控桥式整流器，中间直流环节采用大电容器进行滤波，属于电压型变频器。其逆

8、变侧通过控制IGBT电力电子元件的关断来实现频率和电压的变化。整个变频器通过微机实现全数字化控制，通过操作面板变频器参数的设定，即可实现变频器各种控制功能的实现。在变频器输入端，采用带快熔的刀闸盒，通过快熔实现对整流桥晶闸管的保护。另外在变频器输入端采用输入电抗器抑制电流尖峰或电流突变，这样可以有效的防止晶闸管受到大电流的冲击而击穿或使晶闸管的特性下降。在变频器的输出端加滤波电抗器，可以有效的滤除一些高次谐波，这样可以尽量减小谐波对变频器外部和内部控制回路的干扰，使变频器稳定的工作。在设计中，将主回路接触器合闸与变频器内部发出的准备就绪信号联系起来，在变频器准备就绪的情况下，主接触器方可合闸，

9、这样可以对变频器和维护人员起到保护作用。3.3变频器的初始化参数通过P052选择不同的参数值，变频器可完成相应的参数设定。P052=1 将所有参数返回出厂时的设定P052=2 可完成不同型号变频器MLFB代码的输入P052=4可完成通讯功能的设定P052=5给传动系统和电机系统赋值P052=6根据电机铭牌数据自动设定电机控制参数P052=7根据测量电机数据，自动设置控制系统参数每一台电机都应根据电机参数的不同，对电机进行初始化设置，具体过程如下，以出炉辊道变频器为例。P050=1 语言选择为英语P051=1 选择专家应用，在这种方式下才可实现对所有参数的设定P052=5 传动装置和电机数据的设

10、定P071=400V 传动装置的线电压P092=1 变频器输出端选用正弦滤波器P100.2=0 选用国际标准电机P101.2=380 V额定电机电压P102.2=114 A 额定电机电流P103.2= 0A 电机空载电流P104.2=0.87 电机功率因数P107.2=50 HZ电机额定频率P108.2=750r/min电机额定转速P109. 2= 4电机极对数P163.2=1 选择变频器为V/f特性P165.2=0 选择线性特性,即恒转矩传动P420= 50 HZ 变频器额定系统频率P452.2= 50HZ 变频器正向最大频率P453.2=- 50 HZ 变频器反向最大频率P462.2=1.

11、5秒 从静止到系统额定频率的斜坡时间P462.2=0.5秒 从系统额定频率到静止的斜坡时间P761=6KHZ 脉冲频率P052=7然后启动变频器,对变频器进行优化由于出炉辊道使用正弦滤波器,所以采用P052=7进行优化。对于未采用正弦滤波器的变频器采用P052=6进行优化。通过上述参数的设定，变频器根本可以实现带载工作。由于出炉辊道由10台电机组成，其电流值为10台电机电流的总和。将变频器设定为V/f特性，即Us/fs=cons，为了满足辊道电机的控制要求，将变频器设定为线形特性，即恒转矩特性。3.3变频器控制回路6SE70变频器有CU1控制板、CU2控制板、CUVC控制板等几种不同的控制板，

12、无缝厂新定径使用的变频器使用的都是CU1板，下面就CU1板变频器的外部端子做以下说明。CU1板变频器具有5个开关量输入，2个开关量输出，2个模拟量输入和2个模拟量输出，且具有内部0-10V模拟量发生器，可直接通过外部电位器来调节给定量的大小。变频器的输入和输出控制通过变频器的控制字和状态字来控制。通过控制字的控制位对应参数的设定，便可实现变频器外部控制端子功能的分配以及控制方式的选择。通过状态字的状态位对应参数的设定，可实现变频器输出端子开关量和模拟量功能的分配。通过参数的设定和PLC程序的配合即可实现对变频器速度和工作状态的控制。变频器的外部输出端子和输入端子的功能可通过参数设定进行自由选择

13、。3.4变频器通道的设定变频器有主通道和辅助通道两个通道，通过参数选择在主通道可实现在操作面板实现速度的升降，也可以通过模拟量以及数字量通讯实现频率的控制，还可以通过外部控制端子来控制最多4个设定频率的选择来控制变频器的实际工作频率。辅助通道无法实现在操作面板完成对频率的控制。通过P443和P428不同参数值的选择，可实现对主通道和辅助通道中不同给定量的选择。AE1和AE2分别为两个模拟量输入通道。参数值为1002表示通过变频器面板实现频率的控制，参数值1001表示通过外部接线端子来控制4个设定频率的选择。步进炉出炉辊道由于正转需要进行调速，炉外检测无管时，辊道以高速运行，炉外检测有管时，辊道

14、速度跟随定径机入口速度变化，反转由于采取手动控制，需要以固定频率运转。在设计中采用通讯控制实现辊道的快慢速及正反转功能。主通道和辅助通道相结合来实现对变频器。3.5变频器的启动和停车由前面的理论表达可知，变频器瞬间频率上升过快，启动力矩将会受到影响，甚至造成变频器过流，所以在变频器启动过程中由P462参数值通过斜坡函数发生器可以控制变频器的启动时间，从而消除上面的影响。变频器停车时，由参数P464可控制变频器停车时间。出炉辊道P462=1秒，P464=0.5秒。变频器有OFF1、OFF2和OFF3三种停车方式，优先级OFF2OFF3OFF1，正常停车用OFF1，急停采用OFF2和OFF3，OF

15、F1和OFF3进行停车，停车时间可以通过参数进行设定。T1=Tdecel+Tdelay，T3=Toff3+Tdelay，Tdecel时间值由P464设定，Tdelay时间值由参数P516设定，通过OFF3或OFF1停车时，降到停车频率Toff时，变频器经过Tdelay后脉冲会被封锁，变频器停止运行。OFF2停车方式，变频器脉冲立即封锁，外部回路全部切断，这种方式会对变频器构成一定的损害，所以停车只选择了OFF1和OFF3停车方式。OFF3设为急停，通过外部端子分配，20#端子设定为急停端子，即P558.2=1005。当发生一些紧急情况时，通过该端子可实现变频器的紧急停车。一般OFF3停车时间设

16、的比OFF1要短一些。3.6变频器启动时的电压补偿由前面变频理论可知，变频器在无法保证电机一直工作在恒转矩特性下，在低频时电机的转矩将会下降，所以在低频段增加了电压补偿，使电机在额定频率内在恒转矩下工作。具体参数设定如下：P166=1 0HZ时采取电压补偿P168=2 电压补偿值，为额定电压的百分数P169=10 电压补偿的结束频率在0HZ升到补偿结束频率时，电压补偿减少到0。P169值的设定可以保证在补偿范围内输出电压保持恒定，直到交到正常的V/HZ曲线。3.7变频器的弱磁频率当变频器频率升到额定频率以上时，采用V/f特性将使电机电压超过额定电压，这样将会损坏电机。通过弱磁频率的设定，当频率

17、超过弱磁频率时，输出电压将保持恒定，电机工作在恒功率状态。步进炉出炉辊道弱磁频率P170=50HZ，在50HZ以内变频器处于恒转矩工作状态。3.8变频器的制动6SE70系列变频器有两种制动方式，一种是通过制动单元由外接制动电阻实现制动；一种是通过整流单元的回馈逆变桥，由自藕变压器通过升压将电动机机械能转换为电能回送到电网，来实现变频器的制动，步进炉出炉辊道便采用回馈再生制动。3.9变频器的内部保护和报警信息温度保护：通过变频器内部的热敏检测电阻对变频器温度进行监测，当温度过高时，变频器会自动停车，并发出报警信息。过载保护：通过电流限幅信号的设定，可对电机和传动装置起到保护作用。设定P763=8

18、9A变频器最大电流值，由于出炉辊道由10台电机组成，在满足电机正常运行的前提下将保护值设的较低，以增加对单台电机的保护。变频器出现故障时，会在操作面板上显示故障代码和报警信息代码，通过代码可以较方便的查找故障。3.10变频器的通讯控制步进炉装、出炉辊道采用通讯控制，通过PROFIBUS-DP实现PLC与变频器间数据量和控制信号以及状态信号的传输。通过选件板CB1通讯板把驱动设备集成到自动控制系统中，具体参数设置如下：P051=3 专家方式P052=4 传动设备硬件设置P090=1 电子板PCB2#位插CB1板P091=1 电子板PCB3#位空P918=3-122 从站站号P052=0 返回前面的驱动状态P052=7 释放参数接口P443=