基于总线控制的变频调速系统设计-专业论文-自动化应用案例

基于总线控制的变频调速系统设计

发布日期：2018-09-27 来源：《智慧工厂》7期作者：刘东宁浏览次数：22800

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【摘　要】：能量反馈式传动试验平台是目前的交流传动内燃机车、高速轨道动车组、直流供电的城市轨道交通车辆研发的重要项目。本文在建立能量反馈式方案进行了结构设计的基础上，重点研讨按速度方式运行的陪试系统。在陪试系统中，选用三相异步电动机作为陪试电机。陪试系统采用PROFINET工业以太网控制。动力系统采用西门子S120特殊通用型变频器。

关键词：能量反馈式试验平台陪试系统 PROFINET 西门子S120控制系统

Abstract: Energy feedback" structure system in the existing AC drive diesel locomotive, DC power supply of urban rail vehicles occupy the development requirements.With the development of power electronic technology and control technology, AC variable frequency speed regulation is widely used in the field of motor drive. In the test system, the topic selection of three-phase asynchronous motor as a test motor. Fieldbus selects PROFINET bus. The control system selects the SINAMICS S120 frequency conversion control system,

Key words：Energy feedback test platform Escort system PROFINET SINAMICS S120

【中图分类号】TK441+.43 【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2018）07-0000-00

1 引言

在中国列车车辆的牵引传动中，交流传动和控制技术的应用已经十分广泛。随着大功率交流传动系统研究、开发、生产，对交流传动系统的变流器、交流牵引电机、变流器控制系统以至机车的全车控制均需有功率相当的测试检验场所，这就是交流传动试验台。

在进行电力牵引控制系统开发的过程中，建立了一个能模拟列车工况系统，其中包含被试系统和陪试系统。被试系统中包含了牵引变流器，整流器以及牵引电机。陪试系统中，也就是列车模拟运行系统，陪试系统为被试系统提供一个负载，这个负载模拟的运行情况与实际列车的运行情况基本相同，并且能够模拟列车在一个预先设置的轴重和预先设置的线路下的运行情况。陪试系统通过被试系统的驱动后的速度变化规律和给被试系统提供的负载阻力跟列车的实际线路情况基本相同[1]。

本文主要对列车模拟运行系统也就是陪试系统的结构和控制单元的结构进行研究设计，确保在牵引工况时，陪试系统为被试系统的负载装置；制动工况时，陪试系统为被试系统的动力装置。并且通过改变频率来控制陪试电机的速度。

2 单轴交流牵引及电气制动实验平台工作原理

如图1所示，在牵引交流实验系统中，陪试系统采用转速控制的方式，被试系统采用转矩控制的方式。

在完成牵引工况的实验时，首先，陪试系统通过总线将转速的控制命令从控制系统传送到变流器中，按照预先设定的转速进行转动。因为被试系统与陪试系统是同轴的，所以被试系统的三相异步电动机陪试系统带动着旋转。然后被试系统捕捉转速信号后，开始启动。并且由小到大调节牵引转矩。是被试系统的三相异步电动机作牵引电动机运行。当被试系统给定的转矩，使被试系统的三相异步电机的转速高于陪试系统的三相异步电动机的给定转速时，陪试系统将自动转换成再生制动的工况。陪试系统的三相异步电动机处于发电状态运行，发出的三相交流电经过陪试系统的变流器转化为符合电网的交流电，将电能反馈给电网。

在完成制动工况的实验时，首先，陪试系统通过总线将转速的控制命令从控制系统传送到变流器中，按照预先设定的转速进行转动。因为被试系统与陪试系统是同轴的，所以被试系统的三相异步电动机陪试系统带动着旋转。然后被试系统捕捉到转速后，进行启动，并由小到大对制动转矩进行调节，使被试系统的三相异步电动机作发电工况运行，并通过被试系统的变流器将发出来的三相交流电转换成反馈电网的单相交流电。

3 陪试系统结构设计

我们采用了矢量控制技术的西门子SINAMICS S120特殊通用型变频器控制系统，用来满足列车模拟运行时的高动态响应的速度控制。

sinamics S120变频器为整流、逆变单元分开型的变频器，可以将整流、逆变单元分开进行选型配置。S120功能非常强大，它不仅仅可以带矢量轴，还可以带伺服轴，且整流部分有不可回馈、可回馈、有源前端等多种选择。SINAMICS S120是一种高性能、高精度的变频器。硬件上具有模块化的结构设计，安装、维护简单易行；强大的软件功能，使其适用于各种复杂应用的场合。既能做伺服控制，也能做矢量控制，能实现速度控制，转矩控制，位置控制多种控制方式，同时能满足运动控制的要求；多种冷却方式，更使其能适应于各种场合和应用。

为了减少注入到电网的谐波电流对电网的影响，主电路设置进线电抗器；为了抑制由调速系统产生的高频传导性干扰，主电路设置进线滤波器，提高整个实验系统的电磁兼容性；为了实现在交流侧能量反馈，系统选用直流电压可调的反馈型电源模块ALM。因此陪试系统主电路由有源滤波模块、基本滤波器、直流电压可调的反馈型电源模块ALM、电机模块MM和负载电机组成。

3.1 SINAMICS S120变频器各个模块的设计

(1)电机模块 MM就是逆变器,也称作功率模块，将输入的直流电逆变成可驱动电动机旋转的三相交流电，由于该陪试系统中电机参数为额定电压380V，额定功率1.5KW，额定功率50Hz，最高转速为1500rpm，电机模块MM的输入电压变化范围为450-800V，所以根据这些参数可以选择型号为6SL3120-1TE23-0AA4的电机模块。

(2)直流可调的反馈型电源模块ALM就是整流单元，负责将来自电网的三相交流电整流成大小可调的直流电，供给功率模块使用，并将直流电反馈到电网，并可以对直流母线电压进行调节，所以又称调节型电源模块。反馈型电源模块作为电源时，必须安装配套的基本滤波器，一个有源滤波模块，它受控制单元CU的控制，可选型号为6SL3130-7TE21-6AA3的ALM。

(3)在电网和ALM之间安装有源滤波模块AIM基本滤波器。反馈型的电源模块也就是ALM必须要与一个相互匹配的有源滤波模块AIM和基本滤波器相连接才能运行。有源滤波模块AIM和基本滤波器是用来处理来自电网和反馈到电网的三相交流电的。根据功率等级和电压电流要求可选型号为6SL3100-0BE21-6AB0的有源滤波模块AIM和6SL3000-0BE21-6DA0的基本滤波器。所以本系统中组成S120变频器的各个模块型号如下表1所示。

4 陪试系统的控制系统设计

4.1 控制系统架构

主机对S120系统控制：本课题的主机(PC/工业控制机)对S120系统的控制框图如图2所示，主机(PC/工业控制机)通过PROFINT工业以太网通讯与控制器PLC S7-300连接，控制器PLC通过PROFINET以太网与S120系统的CU320-PN控制单元相连。S120系统内部由CU320-2PN控制单元通过DRIVE-CLiQ电缆对动力单元内部的相互连接进行控制，总线构拓扑图如图2所示。

4.2 陪试系统工作原理

(1)本系统由西门子PLC的S7-300，西门子S120变频器以及三相异步电动机所组成。其中西门子PLC包括模拟量输入模块AI，模拟量输出模块AO，数字量输入输出模块DI/DO，以及中心处理单元CPU315所组成。西门子S120变频器由控制单元CU320，电源模块(四象限脉冲整流器)ALM以及电机模块(逆变器)MM所组成。其中，控制单元CU320分别用S120变频器独有的Drive-CLiQ接线与电机模块ALM和电源模块MM相连及，以实现在S120内部，CU320对ALM和MM的控制与信息交换。再将CU320与PLC的CPU315用PROFINET以太网总线相连，以实现PLC与变频器之间的通讯交换。

(2)该实验目的是通过控制PLC来实现对电机的变频调速，由PLC与控制单元CU320之间的PROFINET来交换信息，以达到通过控制PLC来实现控制与电网380V相连的变频器和电机的启停，调速和参数监控的作用，实现弱电控制强电的目的。通过按下或弹起数字量输入/输出模块DI/DO的控制开关，开启或关断变频器以及电机；并调节多圈电位器的转扭，来变换模拟量输入模块AI的输入电压，实现对电机的调速模式；以及通过模拟量输出模块AO，将实现对电机实际参数，如电机的转速，电机的转矩，电机的电压以及功率的监控。

(3)将直流为24V电源的一端与开关1的一端相连，另一端与数字量输入端的DI1相连；DI2与开关2的接线方式与1相同，以实现双重开关的目的与保护实验器材的作用。按下开关1和2，数字量输入DI1，DI2获得高电平，被PLC的CPU315扫描捕捉到，并将启动信号通过PROFINET以太网端传送给控制单元CU320中，再通过CU320与ALM，MM相互连接的Drive-CLiQ，实现启动变频器和电机的功能。

(4)再将10K的多圈电位器与5V电压并与模拟量输入模块AI以及电压指示表并联，通过对多圈电位器0~10K之间的调节，AI可以获得0~5V的调速电压信号，并且此信号被CPU315所捕捉到并发送给控制单元中，通过对ALM和MM的控制，实现对电机0~1500rpm的连续调速，控制单元得到的实际参数再通过PROFINET回馈给CPU中，CPU再将此信息转成相应的0~10V电压信号，由模拟量输出模块AO传递给外界，用以观察电机的实际运行参数，如转速，电压，转矩及功率等。

实验结束后，弹起数字量输入/输出模块的开关1和2，DI1和DI2获得低电平被CPU扫描到后，将此信息发送给控制单元CU320中，并对应关闭电机和变频器。

5 陪试系统试验软件设计

软件设计主要包括：西门子可编程控制器S7-300的PLC利用西门子编程软件STEP7来实现主站S7-300和从站S120之间的通讯；从站S120内部则用STARTER调试软件实现对S120内部的CU320模块，ALM电源模块以及MM电机模块的控制。

5.1 STEP7硬件组态

通过STEP7的HW Config对PLC的内部进行组态：CPU315的型号，DI/DO模块，AI模块，AO模块等，并用PROFINET工业以太网将设置命名为“lucky”的S120从站相连接，如图3所示。

5.2 STARTER硬件组态

STARTER软件是西门子变频器的标准调试软件，在本文中我们使用STARTER软件来对S120从站内部组态并调试，S120从站内部组态如图4所示。

5.3 主控制程序设计

在对STEP7软件中的OB1主程序块进行设计，来实现想要的控制方式，使用的编程语言为梯形图。程序1、2、3获得电源模块ALM和电机模块MM的控制权以及请求接收参数，由数据共享区DB1、DB3的控制字的变化来实现对ALM和MM的开启或调速，并接收ALM和MM的参数发送到DB2中，如速度，转矩，电压，功率，程序段6、7是将输入到PLC中的0~5V电压转成调速信号发送到电机模块MM中，以达到模拟量控制方式。

主程序块OB1将按顺序依次循环执行其内部程序，其工作过程为：将CPU315的开关拨到RUN模式，待系统初始化之后，首先分别向ALM和MM发送控制权命令，允许PLC对S120的控制，但是，为了能够对电源模块，电机模块独立进行开关控制，分别在PLC的数字量输入输出模块连接了地址为I0.0和I0.1的开关，分别按下开关后，PLC接收到高电平，开启电源模块和电机模块；为了能够对电机转速进行独立控制，在PLC的模拟量输入模块连接了地址为PIW272的0~5V可调电压，通过程序段6、7，将0~5V电压转换成0~1500rpm的电机转速，并通过给定转速与实际转速的转换关系，实现达到独立，连续控制电机转速的目的；在接收到到电机的转速后，通过程序段8，将0~1500rpm的电机实际转速转换成0~5V的输出电压，并由地址为PQW288的模拟量输出模块发送到显示屏幕上，接收到的力矩，电压或功率参数可如同样的方式转换成0~10V电压信号分别由地址为PQW290，PQW292，PQW294的模拟量输出模块发送；在工作结束后，通过程序段9、10分别将电机模块和电源模块停止并处于准备工作模式。

6 实验数据结果分析

将由0~5V电压转换成的电机给定速度信号(存入DB4模块中)与电机的实际速度信号进行对比，分别取电机200rpm，500rpm，1000rpm，实验数据分别如图15、16、17所示。