Системы управления электроприводами постоянного тока (преобразователь Sinamics DCM)


     Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина







                СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ПОСТОЯННОГО ТОКА (преобразователь Sinamics DCM)




Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета в качестве учебно-методического пособия для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника












Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2017

УДК 62-83:621.314.1(075.8)
ББК 31.291.5я73+31.264.5я73
     П39

Рецензенты: генеральный директор «ПФ Тяжпромэлектропривод» канд. техн, наук, доц. В. И. Зеленцов', начальник научно-инженерного центра «Автоматизированные системы и комплексы» канд. техн, наук, доц. С. И. Шилин
Научный редактор — завкафедрой канд. техн, наук, доц. А. В. Костылев
      Плотников, Ю. В.
П39 Системы управления электроприводами постоянного тока (преобразователь Sinamics DCM) : учебно-методическое пособие / Ю. В. Плотников, В. Н. Поляков. — Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2017. — 96 с.
      ISBN 978-5-7996-1947-3
Пособие содержит описание принципов построения систем управления электроприводами постоянного тока, программы и указания по выполнению лабораторных работ по курсу «Системы управления электроприводами».
Настоящее издание соответствует учебному плану направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электропривод и автоматика» и предназначено для бакалавров всех форм обучения.
Библиогр.: 8 назв. Рис. 55.
                                      УДК 62-83:621.314.1(075.8)
ББК 31.291.5я73+31.264.5я73













ISBN 978-5-7996-1947-3

              © Уральский федеральный университет, 2017

                ВВЕДЕНИЕ








  Дисциплины «Теория управления электроприводами» и «Наладка и эксплуатация электроприводов» преследуют цель ознакомить студентов с приложением общей теории автоматического управления к построению класса объектов, представляющих собой автоматические системы управления регулируемых электроприводов постоянного тока.
  В процессе изучения дисциплины студенты должны ознакомиться с областью применения электроприводов постоянного тока, усвоить принципы построения систем управления, методы синтеза алгоритмов управления и математическое моделирование процессов, а также методику наладки систем управления электроприводов постоянного тока.
  Лабораторные занятия по данному курсу имеют целью облегчить студентам понимание физических процессов, протекающих в системах управления электроприводов постоянного тока с тиристорными преобразователями, путем экспериментального исследования статических и динамических характеристик на реальных установках. Во время лабораторных работ студенты изучают оборудование экспериментальных установок, получают практические навыки параметрирования и наладки микропроцессорных систем автоматического управления электроприводов постоянного тока, проводят экспериментальные исследования характеристик электропривода в установившихся и переходных режимах работы с последующим сопоставлением теоретических и экспериментальных результатов.
  Лабораторные работы проводятся на стендах, оснащенных тиристорными электроприводами постоянного тока типа Sinamics DC Master фирмы Siemens и специальным оборудованием, позволяющим создавать нагрузку для электропривода. Для параметрирования и визуализации процессов в реальном масштабе времени лабораторные стенды снабжены персональными компьютерами с программным обеспечением Starter.

3

                РАЗДЕЛ А










            1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ СЕРИИ SINAMICS DCM И ПРИНЦИПАХ НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ



  Современные системы управления электроприводов постоянного тока могут включать несколько связанных между собой контуров регулирования и реализуются с помощью специализированного микроконтроллера. Такое построение системы управления приводит к необходимости настройки параметров этих контуров, так как отклонение их от оптимальных настроек может привести к неудовлетворительной работе электропривода в технологическом процессе. Наличие высокопроизводительного микроконтроллера в составе преобразователя дает возможность обеспечить настройку контуров регулирования на заданные показатели качества, а также произвести программирование и реализацию основных функций управления электроприводом, обеспечивающих плавный пуск и торможение двигателя с заданным темпом, изменение направления вращения, стабилизацию скорости, регулирование и ограничение тока (момента) двигателя и другие функции.


            1.1. Общие сведения о тиристорных преобразователях Sinamics DEM


  Тиристорные преобразователи серии Sinamics DCM являются логическим продолжение серии преобразователей Simoreg DC Master [6] фирмы Siemens. Основной идеей обновления линейки тиристорных преобразователей является унификация всех преобразователей фирмы Siemens серии Sinamics.
  Общими для этой серии являются следующие принципы:
  1)    применение модульной конструкции преобразователей, которая наиболее гибко реализована в преобразователях переменного тока

4

Раздел А

1.1. Общие сведения о тиристорных преобразователях Sinamics DCM

Sinamics S120 и выше. Модульная конструкция преобразователей позволяет более гибко подходить к проектированию систем электропривода, поскольку дает возможность отдельно выбирать элементы силовой части и модули управления с различными датчиками. Но это все в полной мере относится только к электроприводам переменного тока данной серии. В постоянном токе плата управления (CUD) является встроенной, и возможности расширения заключаются в наличии дополнительных слотов на плате, которые позволяют подключить дополнительный модуль управления (слот Advanced CUD) и коммуникационную плату PROFINET (СВЕ20). Дополнительный модуль управления может понадобиться для реализации сложных алгоритмов управления, таких как позиционные системы, управление моталкой, деление нагрузки между двигателями и др. Преобразователи Sinamics DCM также поддерживают общий для серии Sinamics интерфейс DRIVE-CLiQ, с помощью которого может осуществляться взаимосвязь между компонентами серии, а также производится подключение дополнительных устройств, например, модулей расширения входов выходов (ТМ15 и ТМ31) и модулей датчиков;
   2)   поддержка наиболее распространенных сетевых интерфейсов полевого уровня — PROFIBUS и PROFINET. Интерфейс PROFIBUS [7] является встроенным в основной модуль управления и выведен на разъем Х126. Высокоскоростное подключение к сети PROFINET поддерживается с помощью опциональной платы СВЕ20. Также есть возможности подключения к преобразователям по интерфейсу USS (разъемы Х178, Х179). Использование промышленных сетей позволяет легко интегрировать преобразователи в общую систему автоматизации участка или предприятия;
   3)   использование свободно распространяемого программного обеспечения Starter для настройки параметров преобразователей, ввода в эксплуатацию и снятия динамических характеристик электропривода (https://support.industry.siemens.com/cs/document/26233208/sinamics-micromastcr-startcr?pnid= 13437&lc=en-WW);
   4)   применение свободных функциональных блоков (Free functional blocks) [8], которые включают в себя следующие функции:
   •  логические функциональные блоки (И, ИЛИ, Исключающее ИЛИ, Инверсию);
   •  вычислительные функциональные блоки (сумматоры, множительные и делительные элементы, вычислители модули и др.);

Раздел А

5

1. ОБЩИЕ [ВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ СЕРИИ SINAMICS DEM И ПРИНЦИПАХ НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ



  •  таймеры различных видов (формирование импульса, сжатие импульса, задержка включения, задержка выключения, удлинение импульса);
  •  функциональные блоки записи данных (RS-, D-триггер);
  •  функциональные блоки коммутации (бинарный, цифровой переключатель);
  •  регулирующие функциональные блоки (элементы ограничения, фильтры, интегрирующие, дифференцирующие элементы и другие динамические звенья).
  Использование этих блоков позволяет существенно расширить функциональность преобразователя. Например, преобразователь при достаточном количестве входов и выходов может взять на себя функции логического контроллера. При необходимости количество входов и выходов можно увеличить за счет использования модулей расширения ТМ15 и ТМ31. Использование свободных функциональных блоков позволяет также существенно изменять структуру встроенной системы автоматического управления и даже реализовать свои алгоритмы управления в преобразователях серии Sinamics.
  Нужно добавить, что для решения подобных задач у Siemens существует платный пакет Drive Control Chart (DCC), который в работе создает меньше нагрузки на центральный процессор и не имеет ограничений по максимальному числу блоков в программе (максимальное количество свободных блоков равно 52);
  5)    использование BICO-технологии, которая представляет многобитные и логические сигналы в виде бинекторов и коннекторов. Эта технология также применяется и в других сериях преобразователей Siemens и совместно со свободными функциональными блоками позволяет перестраивать связи системы управления и свободно оперировать различными сигналами. Элементы этой технологии будут рассмотрены далее;
  6)    использование интерфейса DRIVE- CLiQ для связи между компонентами электропривода и подключения внешних устройств. Интерфейс фирмы Siemens обеспечивает высокую скорость передачи до 100 Мбит/с и предназначен для подключения терминальных модулей ТМ15 и ТМ31, а также модулей датчиков.
  За исключением этих особенностей, по структуре системы автоматического управления и настройке параметров новая серия Sinamics DCM практически не отличается от преобразователей предыдущего поколения Simoreg DC Master [6]. Так, практически все основные параметры преобразователей совпадают с тем исключением, что в новой серии перед номером параметра записывают цифру 50.

6

Раздел А

1.1. Общие сведения о тиристорных преобразователях Sinamics DCM

  Например, если в преобразователе Simoreg DC Master номинальный ток двигателя задается в параметре Р100, то в преобразователе Sinamics DCM в параметре Р50100.
  Такое соответствие позволяет инженерному персоналу предприятий без особых проблем перейти на новое оборудование.
  С точки зрения силовых цепей преобразователь обмотки якоря является двухкомплектным реверсивным тиристорным преобразователем с раздельным управлением. Каждый комплект выпрямителя выполнен по трехфазной мостовой схеме. Может также использоваться однофазная схема выпрямления.
  Для обмотки возбуждения используется несимметричный однофазный однокомплектный преобразователь с напряжением питания 380 В. Схема силовых цепей преобразователя упрощенно представлена на рис. АЛ. На рисунке первый комплект, обеспечивающий направление тока при условном направлении вперед, реализован на тиристорах VS1—VS6, соответственно второй комплект, обеспечивающий обратное направление тока, — на VS7—VS12.
      а                                  б

XU1 XVI XW1

ХС1                                        XD1

Рис. А.1. Упрощенная схема якорной цепи (а) и цепи возбуждения (б) преобразователя Sinamics DCM

Раздел А

7

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ ЕЕРИИ SINAMIES DEM И ПРИНЦИПАХ НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ

   Важно отметить, что схемы силовых цепей могут иметь некоторые отличия в зависимости от мощности преобразователя.
   Схема подключения модуля управления представлена на рис. А.2 [3]. На основном блоке управления (CUD) имеется 4 дискретных входа, 4 дискретных выхода, 4 двунаправленных входа-выхода, 4 аналоговых входа и 2 аналоговых выхода.

Рис. А2. Схема подключения платы управления

   На преобразователе существуют встроенные клеммы для подключения импульсного датчика скорости (XI77, клеммы 41-48) и аналогово

8

Раздел А

1.2. Коммуникационная плота PROFINET СВЕ20

го тахогенератора с максимальным напряжением 270 В (ХТ1, клеммы 103—104). Датчики тока являются встроенными и подключены через трансформаторы тока (ТА1 и ТА2) на стороне сетевого напряжения.
  Плата управления имеет встроенный источник питания с напряжениями (± 10) В и 24 В, что позволяет упростить управление дискретными и аналоговыми вход ами. Также на плате имеется разъем для подключения внешнего датчика температуры двигателя для контроля его теплового состояния.
  Преобразователи Sinamics DCM также снабжены разъемом для карт памяти стандарта CF, с помощью которых можно сохранять программы и переносить их на другие устройства. На карте памяти может также храниться дополнительное программное обеспечение для расширения функциональных возможностей преобразователя (например, библиотека Drive Control Chart для графического программирования замкнутых систем управления).


            1.2. Коммуникационная плата PROFINET СВЕ20


  Интерфейс PROFINET объединяет преимущества полевой шины PROFIBUS и промышленного Ethernet и находит все более широкое распространение. С помощью интерфейса можно осуществлять пара-метрирование и запуск преобразователя в программе Starter, а также использовать преобразователь как ведомое устройства в сети с управлением от логического контроллера. Коммуникация в сети PROFINET осуществляется по широко известному протоколу TCP/IP, который хорошо зарекомендовал себя в сети Интернет.
  Преобразователь Sinamics DCM не имеет встроенного интерфейса PROFINET, но его можно получить с использование коммуникационной платы СВЕ20, которая вставляется в слот расширения основного блока управления. Внешний вид платы представлен на рис. А.З.

Рис. А.З. Плата связи СВЕ20

Раздел А

9

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ СЕРИИ SINAMICS DCM И ПРИНЦИПАХ НАСТРОЙКИ ПАРАМЕТРОВ

   Важно отметить, что если плата связи СВЕ20 вставлена в соответствующий разъем на модуле CUD, то коммуникация по сети PROFIBUS становится невозможна.
   Плата в своем составе имеет четыре разъема RJ45. Каждый разъем снабжен светодиодной индикацией, которая используется для диагностики подключения. Также на плате предусмотрен светодиод Fault, который позволяет диагностировать ошибки в работе [3].


            1.3. Терминальный модуль ТМ31


   Терминальный модуль ТМ31 крепится на стандартную DIN-рейку и предназначен для расширения количества аналоговых, дискретных входов и выходов преобразователя.
   Внешний вид модуля схематично представлен на рис. А.4.


DRIVE-CLiQ-интерфейсы

S5
Измерение напряжения/тока

Светодиод

Х521
Аналоговые входы

Х522
Аналоговые выходы

Х542
Релейные выходы

Подключение экрана

Рис. А.4. Терминальный модуль ТМ31 [3]

  Модуль расширения входов и выходов имеет в своем составе:
  •  два аналоговых входа;
  •  два аналоговых выхода;

10

Раздел А