6RA70调速器在风洞直流调速系统中的应用

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（1.中国空气动力研究与发展中心低速所，四川 绵阳 621000；2.天津电气传动设计研究所，天津 300180）

1 引言

8m×6m风洞是我国乃至亚洲最大的低速风洞，由3台2 600kW的直流电机拖动风扇，为风洞试验提供稳定的风速。对风扇电机的调速采用西门子6RA24调速器，电控采用西门子S7－300 PLC系列可编程序控制器。由于该控制系统很多控制部件在“5.12”地震中损坏，不能满足风洞试验的需要，因此必须进行能力恢复和技术提升式改造。

自从20世纪80年代中后期，德国西门子公司推出6RA22以来，到现在又相继推出了6RA23、6RA24和6RA70。他们的共同特点是采用单片机开、闭环控制，逻辑运算，故障诊断，参数设置，状态故障显示。当在主机板上加上扩展模板时，则可实现与其他自动化系统的通讯能力，或完成特殊的控制能力。6RA24采用的是Intel的16位单片机80C97。由于单片机本身的性能没有太大的改进，其同步信号取自控制回路，因此要求控制回路相序与主回路相序要严格一致，在现场调试中很不方便。而6RA70采用的是西门子公司自身开发的单片机80C166，它的性能要比Intel 80C196KC高得多，故6RA70装置无论在性能和功能方面都比6RA24有了很大的提高。特别是在6RA70中，同步信号取自主回路，这样主回路相序与控制回路相序就没有关联。因此在本次改造中，风扇电机的调速采用了6RA70调速器，电控采用了S7－400PLC系列可编程序控制器。

2 6RA70调速装置的结构及功能

6RA70系列调速器为三相交流电源直接供电全数字控制的双闭环调速系统，系统内环为电流环，外环为速度环，可以实现直流电动机的调压调速和调磁调速，能够增加直流电动机的调速范围，改善电动机的低速特性。

其控制单元由电枢和励磁触发单元、速度调节器、电流调节器、电枢反电势闭环控制单元、励磁电流闭环控制单元、斜坡函数发生器、给定值处理器以及输入输出接口电路等组成，各个部分的控制功能由2台微处理器完成，通过参数将软件所提供的程序块进行“连接”控制。

6RA70系列直流调速器为三相交流电源直接供电的全数字晶闸管整流控制器，其技术特点如下：

1）所有的调节和控制均实现全数字化处理，因而装置抗干扰性好、控制精度高、运行稳定可靠；

2）控制系统动态参数的调试，可以用优化程序自动完成，调试方便快捷；

3）具有超强的故障自诊断和处理功能，可对缺相、过流、过压、欠磁、超速等各种故障进行监视和处理，并能模拟电动机的温升曲线，对电动机过热进行监视；

4）强大的通讯能力，可以通过通讯接口或增加通讯板，和上一级自动化系统进行通讯，方便地实现生产过程自动化，支持SIMOLINK，PROFIBUS，CAN，USS等多种协议；

5）可以根据工艺要求进行系统功能扩展，利用附加板完成特殊控制。

3 风洞直流调速系统分析

风扇电机作为风洞试验所需风速的驱动装置，其调速性能决定了试验风速精准度，直接影响试验的数据，因此，对风扇电机进行分析建模，设计出高性能指标的调速系统尤为关键。

3.1 直流电机调速方式分析

他励直流电动机的机械特性方程为

由式（1）可见，由于改变电枢电压调速一般不超过额定电压，可以实现无级调速，平滑性良好，稳定性高，调速范围宽而得到广泛的应用。常用的调压调速系统分为单环与多环调速系统。为了获得理想的静、动态性能，通常采用转速、电流双闭环调速系统。

3.2 转速、电流双闭环调速系统的分析

在转速、电流双闭环调速系统中，转速外环与电流内环一般采用PI控制。其传递函数可以表示为

式中：Ki／n为电流（或转速）调节器放大倍数；τi／n为电流（或转速）调节器时间常数。

转速、电流双闭环系统基本上实现了在限制电流下的快速启动，利用了饱和非线性方法，达到时间最优控制。它具有系统精度高、响应速度快、易于稳定、便于调整等优点。

4 6RA70在调速系统中的应用

该调速系统以PLC为核心，以西门子6RA70调速器为执行元件。当系统联锁正常满足开车条件时，PLC将系统给定传输给调速器。调速器将给定和反馈进行比较、运算和调节，输出正反组脉冲移相信号通过脉冲放大板加到晶闸管上，为风扇电机供电实现电机的运行。系统主回路单线图见图1。

图1 系统主回路单线图Fig.1 System main circuit diagram

4.1 电枢回路控制系统

电动机采用12脉冲整流，主回路高压断路器将电网6kV电压引入整流变压器，整流变压器选用裂解三绕组形式，原边为三角形（△）接法，2个副边绕组1个为三角形（△）接法，1个为星形（Y）接法，2个副边绕组输出线电压相等（由于5·12地震的影响使变压器副边输出有所不同分别是380V和344V，但不影响使用），相位相差30°，形成原边12相整流效果，减少了对电网的谐波污染和电机转矩的脉动。为了实现12相整流电路，需要2个6RA70装置采用主从控制方式，主动装置为速度闭环和电流闭环运行，从动装置通过点到点通讯接收主动装置的电流为电流闭环。本系统利用2套30A的6RA70直流调速装置的控制部分，输出相应的触发脉冲，经隔离和功率放大后分别触发2组国产大功率2 500A三相桥式晶闸管整流装置，2整流桥串联后为风扇电机供电，从而实现风扇电机电枢电压的控制。主6RA70线路原理见图2。

图2 主6RA70线路原理图Fig.2 The circuit schematic diagram of main 6RA70

图2中1U1、1V1、1W1是主电源的同步电源；5U1、5W1 是装置工作电源；3U1、3W1是励磁电源（本系统未用）；M1～M6，V1～V6（从装置）分别是其输出的6组角度互差60°的脉冲；Z14，Z15，Z4，Z5是主6RA70与励磁6RA70的联络点作为今后需要弱磁等功能的备用；56～60是主6RA70与从6RA70点对点通讯的的联络点；1C1，1D1是取自整流柜直流侧的电压反馈；Z1F1，Z1F2，Z100是取自整流柜交流侧的电流反馈。34，37，38是启动、使能开关输入点；105，106是系统主回路联锁输入点；26～31是转速反馈输入点；6，7是电位器模拟给定输入点；16，17是转速表显示输出点。

4.2 励磁回路控制系统

励磁回路控制系统由隔离变压器供电，直接利用1套60A的6RA70调速装置的控制和功率部件，输出恒定的38A的直流电给励磁绕组供电。其线路原理见图3。

图3 励磁6RA70线路原理图Fig.3 The circuit schematic diagram of excitation 6RA70

图3中，主回路交流电源经隔离变压器、过压保护、熔断保护后输入励磁6RA70，由励磁6RA70控制整流成恒定直流经电阻和二极管续流接入风扇电机励磁绕组。励磁6RA70的输出触点109／110通过中间继电器K1控制交流接触器KM1，从而实现对励磁回路的合闸控制。

4.3 6RA70参数设置

采用“小触大”控制方式的电枢调速器需要设置电枢电压、电枢电流、励磁电压。设置电枢电流时需要按比例对应电机的额定电枢电流和电流互感器的铭牌值。

主要参数设置如下。

电枢调速器输入的电动机参数：P100＝30；P101＝400；P102＝0；P104＝5 000；P105＝0.1；P107＝0.1。

该系统速度实际值由脉冲编码器提供，需设置P083＝2，有关脉冲编码器的参数：P140＝1；P141＝2 048；P142＝0；P143＝440。

斜坡函数发生器参数：P303＝40；P304＝40；P305＝1；P306＝5。

电流和速度调速器参数：P155＝0.3；P156＝0.08；P225＝1.5；P226＝8。

4.4 6RA70与PLC之间DP通讯的数据交换

6RA70与PLC通过CBP2通讯板进行数据交换。其数据交换格式如下。

6RA70用1块通讯板（CB）与PLC进行通讯，其可以接收16个字（K3001－K3016）和发送16个字的数据（Word1－Word16）。若交换的数据量不能满足需要，可增加1块通讯板将接收和发送的数据分别扩展到32个字。

6RA70接收的16个字前9个可以按字读取，也可以按位读取，后7个字只能按字读取。若按字读取，则第1个字其连接器固定为K3001、第2个字其连接器固定为K3002、依次类推，第16个字其连接器固定为K3016；若按位读取，则第1个字的16个位的连接器固定为B3100－B3115、第2个字的16个位的连接器固定为B3200－B3215、依次类推，第9个字的16个位的连接器固定为B3900－B3915。本系统中只接收第2和第3两个字。第2个字为速度给定信号，按字读取，为K3002（通过参数P433设置标准给定的源）；第3个字为控制字，按位读取，而且只用了前2位，B3300为启动信号（通过参数P654设置，与端子37“与”），B3301为使能信号（通过参数P661设置，与端子38“与”）。

6RA70发送的16个字通过参数U734来进行设置。出厂设定为 U734.001＝32（K32为状态字1）；U734.002＝167（K167为带符号的速度实际值）；U734.004＝33（K33为状态字2）；其余未用。本系统中：U734.001＝32（K32为状态字1）；U734.002＝173（K173为 K167经过滤波处理的速度实际值）；U734.003＝117（K117为带符号的实际电枢电流值）；U734.004＝291（K291为实际电枢电压绝对值）。

5 结论

本系统采用“以小触大”的控制技术，即保留原有大容量晶闸管整流装置，用小容量的全数字调速器作为调节系统，通过脉冲信号的转接并驱动原来的大容量整流装置，实现风扇电机的调速。因此改造成本低，系统精度高、响应速度快、稳定可靠性好。该系统运行2a以来效果非常好，系统安全可靠，稳定精度达到了0.06%，为风洞试验数据质量提供了前提保证。该直流传动控制系统的改造方式及思路，对大型低速风洞的老直流控制系统改造有一定的推广借鉴作用。

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