【项目详解】DCM和S120驱动他励同步电机的应用

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1、项目介绍

电机测试台上的测功电机使用了他励同步电机，具体的结构图如图1-1所示。

他励磁电机由DCM作为外部励磁装置，S120的CU320作为控制单元来控制电机的运行。电机的编码器使用的是2500线的HTL的编码器。

1、 测试台架 2、被测电机 3、被测端联轴器 4、扭矩传感器

5、测功机联轴器 6、测功电机

图1-1电机测试台架结构图

1.1. 工艺介绍

电机测试平台主要包括：电源系统、测功电机机驱动系统、被测电机驱动系统、数据采集及控制系统等。测功电机机的作用是向被测电机提供负载，它与电机通过中间轴连接，通过转矩计来检测测功机的转速和转矩，中间轴通过联轴器与被测电机相连。数据采集系统用来采集电机的转矩、转速、交流电电流、直流母线电流、电机温度、测功机温度等参数，用于分析电机的各项性能。电源系统包括进线柜、整流柜等。

1.2. 电气原理

电机测试台测功电机系统和被测电机系统的逆变器共用一个整流器，整流器为第三方的整流单元，被测电机的逆变器为第三方的逆变器。由于被测电机和测功机之间是驱动和拖动的关系且使用共直流母线方案，即一个电动、一个发电，能量通过直流母线循环，电网只需提供系统控制电、发热产生的能量损耗以及一些无功功率，这种方案可以大大减少电网供电负荷。测功电机的外部励磁装置为DCM直流驱动器，通过交流380V供电。电机测试台的电气原理图如图1-2所示。

图1-2电机测试台架电气原理图

图1-3他励同步电机参数图

2、他励同步电机基本原理

2.1. 同步电动机的基本结构

1)定子

定子由铁心,定子绕组 (电枢绕组),机座,端盖等部件组成.定子绕组与异步电动机一样,为三相对称绕组,通有三相交流电。

2)转子

转子由主磁极,直流激磁绕组和起动装置组成.主磁极分为a隐极式(适用于高速)和b凸极式(适用于低速)两种（如图2-1）。

图2-1 他励同步电机结构

2.2. 他励同步电动机工作原理

同步电动机工作时，定子的三相绕组中通入三相对称电流，转子的励磁绕组通入直流电流。在定子三相对称绕组中通入三相交变电流时，将在气隙中产生旋转磁场。在转子励磁绕组中通入直流电流时，将产生极性恒定的静止磁场。若转子磁场的磁极对数与定子磁场的磁极对数相等，转子磁场因受定子磁场磁拉力作用而随定子旋转磁场同步旋转，即转子以等同于旋转磁场的速度、方向旋转，这就是同步电动机的基本工作原理。

由同步电机基本的工作原理可知，若将同步电机同时双边励磁，由于定子旋转磁场转速为同步转速，而且起动瞬间转子处于静止状态，气隙磁场与转子磁极之间存在相对运动，不能产生平均的同步电磁转矩，即同步电动机本身没有起动转矩，使电动机自行启动。常用的启动方法有：

1. 辅助电机电动机启动法，使用一台异步电机作为起动辅助电机，起动时先将同步电机拖动到异步转速，然后再加入励磁关闭辅助电机，利用同步转矩将同步电机拉入同步转速。此方法适合空载启动。
2. 变频启动法。在电机起动前将转子通入直流电，利用变频电源使频率从零缓慢升高，旋转磁场牵引转子缓慢同步加速，直到额定转速。这种方式是目前常用的方法，也是此次使用的方法。
3. 异步启动法。在转子上加入起动绕组，其结构与异步机绕组相同。起动时，励磁绕组不励磁，转子通过起动绕组产生起动转矩，当转子达到异步转速后励磁绕组通入直流电，转子自动进入同步转速。

他励同步电机在很多方面都不如异步电机，但是随着矢量算法和变频控制的发展，它也有以下的优点：

1. 异步电动机由于励磁的需要，必须从电源吸取滞后的无功电流，空载时功率因数很低。同步电动机则可通过调节转子的直流励磁电流，改变输入功率因数，可以滞后，也可以超前。当 cosj = 1.0 时，电枢铜损最小，还可以节约变压变频装置的容量。
2. 由于同步电动机转子有独立励磁，在极低的电源频率下也能运行，因此，在同样条件下，同步电动机的调速范围比异步电动机更宽。
3. 异步电动机要靠加大转差才能提高转矩，而同步电机只须加大功角就能增大转矩，同步电动机比异步电动机对转矩扰动具有更强的承受能力，能作出更快的动态响应。

2.3. 同步电动机矢量控制

为了获得高动态性能，同步电动机变压变频调速系统也可以采用矢量控制，其基本原理和异步电动机矢量控制相似，也是通过坐标变换，把同步电动机等效成直流电动机，再模仿直流电动机的控制方法进行控制。但由于同步电动机的转子结构与异步电动机不同，其矢量坐标变换也有自己的特色。

交流电机旋转磁场的同步转速w1与定子电源频率 f1 有确定的关系

式（2-1）

异步电动机的稳态转速总是低于同步转速的，二者之差叫做转差 ws ；同步电动机的稳态转速等于同步转速，转差 ws = 0。

为了简化数学模型设定以下假定条件：

（1）假设是隐极电机，或者忽略凸极的磁阻变化；

（2）忽略阻尼绕组的效应；

（3）忽略磁化曲线的饱和非线性因素；

（4）暂先忽略定子电阻和漏抗的影响。

图2-2 二极同步电动机的物理模型

在同步电动机中，除转子直流励磁外，定子磁动势还产生电枢反应，直流励磁与电枢反应合成起来产生气隙磁通，合成磁通在定子中感应的电动势与外加电压基本平衡。同步电动机磁动势与磁通的空间矢量图示于图2-3

图2-3 磁动势和磁通的空间矢量图

图2-4 定子一相绕组的电压、电流与磁链的时间相量图

图2-5同步电动机基于电流模型的矢量控制系统

3、DCM和S120驱动他励同步电机接线和参数设置

3.1. DCM的控制方案及参数设置

DCM使用外部的端子控制启停并通过模拟量来设定励磁电流的输出。这种方案通过外部输入该设定值，可以实现电机的弱磁调速。

图3-1 DCM控制方案

主要需要设置的参数如下：

p50076[0] 装置额定电枢电流回落，相当于他励电机励磁电流比例

P50076[1] 装置额定励磁电流回落，此处不用设置。

p50078[0] 额定输入电压

p50079 = 1 电枢触发单元输出宽脉冲，需要从电枢端子为励磁供电时必须设为1

p50082 = 0 关闭内部励磁

p50083 = 4 速度反馈值自由互联

p50084 = 2 设为电流/转矩控制

p50100 额定电枢电流= 此应用为电机励磁电流

P50153 = 3 激活电枢前馈，EMF 不介入

p50179 > 0 设置指令级中额外的逆变角脉冲数（第二脉冲被使能）

p50192 = 1 逆变角限幅 = p50151

p50402 常数2 用于设置固定的励磁电流比例

p50430[0] = 53010.0 通过端子X177.11切换到固定输入

p50431[0] = 52402 设定固定输入的为常数2

p50433[0] = 52011 设置标准设定值的输入源为模拟量输入X177.25

p50601[2] = 52209 设置电流限幅为固定设定值输出r52209

p50609 = 52000 实际速度反馈为r52000常数 0 %

p2118.0 = 60042 选择需要屏蔽的故障F60042, 测速机监控检测出异常

p2118.1 = 60035 选择需要屏蔽的故障F60035,电机堵转

p2119.0 = 3 F60042, 测速机监控检测出异常选择为无信息

P2119.1 = 3 F60035,电机堵转选择为无信息(Alpha W)其中参数p 50179必须设置正确，因为对于高电感的负载，虽然设置了逆变角(全反压以减少电感中的电流)，但仍需要一定的时间电流才能完全降至零。尤其是对于4象限的控制，电流必须为0，并且有源的晶闸管必须可靠地关断。如果反向的平行的晶闸管在前一个晶闸管桥被可靠地关断之前被导通，那么就会有一个短路电流同时相应的熔断器就会熔断。所以必须输出额外的一些逆变角脉冲(Alpha W) (该数量可以使用参数p50179设置)，直到电流为零。

计算实例:

V = L × Δi / Δt;

Δt = L × Δi / V

V = p50078[0] × (1+ p50351 / 100) × 1.35 × cos(Alpha W)

Δi = 1 % 实际装置电流r50072[1]

Δt = 最小的Alpha W脉冲时间,

1 pulse = 3.33 ms for 50 Hz, or 2.78 ms for 60 Hz

假设

L = 1 H, p50078[0] = 400 V (额定进线电压);

V = p50078[0] × (1+ p50351/100) × 1.35 × cos (Alpha W) ... 三相进线

V = p50078[0] × (1 + p50351/100) × 0.9 × cos (Alpha W) ... 单相进线

p50351 = -30 % (低电压阈值), Δi = r50072[1] × 0.01

r50072[1] = 1200 A (实际装置电流), Alpha W = 150 degrees (p50151)

Δt = 1 × 12 / [400 × (1 + (-30) / 100) × 1.35 × 0.866] = 0.037 s

最小的额外的逆变角脉冲数50 Hz时 = 37 ms / 3.33 ms = 12

20 % 余量 = 12 × 1.2 = 14.4 → 设置 p50179 = 14.

其中电感值L可以参考p50110 电枢回路电阻 / Ra Ω p50111 = 电枢回路电感 / La mH

同时如果需要将实际电流通过模拟量反馈，设置P50750=r68[0]；

3.2. S120他励同步电机基本参数设置

S120他励同步电机调试可以通过starter向导来进行，调试时需要注意以下方面：

1. 如果编码器选择HTL/TTL编码器或者无编码器控制,务必要选择VSM模块（如图3-2）。VSM模块用于检测电机转子的启动角，这样在启动时调整设定电压的相位角保证电机平稳启动。
2. 在调试向导电机页面选择他励同步电机，P300=5。同时电机的额定参数必须填写正确如图3-4。如果知道详细的电机参数可以部分填写图3-5和图3-6中的电机参数，如果不是很确定可以去掉图3-4中的两个√，使用电机静态识别来获取。
3. 设置编码器参数，编码器使用SMC30模块可以使用HTL编码器和SSI编码器。HTL编码器设置画面如下图3-7所示。HTL编码器配合VSM使用需要设置P1980=12，P1982=1。

图3-2 调试向导中选择VSM模块

图3-3 调试向导中选择他励同步电机

图3-4电机额定参数

图3-5电机参数1

图3-6电机参数2

图3-7 HTL编码器设置

3.3. S120与DCM互联

S120和DCM之间需要进行互联，此次使用的TM31端子模块和DCM内置端子模块版进行接线互联。其中S120使用starter设置如图3-8和图3-9。在互联时由于电机需要快速响应所以需要调低TM31的采样时间P4099。

图3-8 S120互联参数设置1

图3-9 S120互联参数设置2

4、他励同步电机的调试要点和难点

完成基本设置和装置互联后，我总结了以下的调试要点和难点：

• 1、I/f测试模式(用于编码器信号)
• 2、电机静态测量。
• 3、优化速度环参数并测量转动惯量
• 4、优化DCM的励磁电流
• 5、优化磁通控制器

4.1. I/f测试模式

在做完参数设置并完成DCM励磁装置的默认参数设置后，需要在空载条件下以低速开始运行，以检查编码器信号。输出频率通过速度设定值指定，定子电流通过电流设定值进行I/f操作p1609。在进行I/f测试时需要注意以下问题：

1、 测试时电机会转动起来。

2、 驱动器会使能。

3、 冷却系统必须打开。

4、 电机不允许带载。

5、 电机必须缓慢加速。

I/f模式设置的参数如下：

p1300 = 18 选择I/f模式

p1609 = xxxx 设定电流,建议设置10%-30%，采用空载励磁电流设定值(见r1626)。为了防止驱动器失速，因为磁通没有通过励磁电流设定值调节，电机只能缓慢加速。

p1120 = e.g. 30 s 加速时间

p1121 = e.g. 30 s 减速时间

p1001 = 0.0 = 关联转速设定值

设置参数后启动变频器，并每2%的增加转速设定值，转速设定值在额定转速的10%到30%之间。通过r61[0]检查编码器的极性和线速是否正确，不正确需要检查编码器参数和接线。如果使用了VSM模块，可以监控r3661和r3662，检查r3661 = r0089[0] - r0089[1] 和 r3662 = r0089[1] - r0089[2]值是否正确。测试完成后，需要将P1300改回21。

4.2. 电机静态优化

在电机参数填写不全时，使用静态识别来计算不准确的电机数据。静态识别时建议参数如下：

p1909.5 = 1, p1909.6 = 1，p1909.7 = 1, p1909.15 = 0 ，剩下都为0

p1911 = 1

p1910 = 2

静态识别前，必须要保证励磁装置和整流装置可以正常启动，励磁装置的过压保护回路正常。静态识别时启动动变频并等待变频器停止同时1910复位成0.

静态识别结束后，需要检查电机的温度传感器参数是否正确，电机温度信号的源可以在p0600中设置，传感器类型可以在p0601中设置。静态识别后可以空载启动电机，必要时检查和测量空载励磁电流、弱磁特性、Lhd参数等。

4.3. 优化速度环参数并测量转动惯量

如果电机没有连接到负载(非耦合)，则可以执行自动控制器优化。如果负载已连接，首先手动检查是否产生机械谐振(如逐渐增加到最大速度)。

1、自动优化，最好在没有连接负载的情况下进行，如果只能连接负载做自动优化必须要排除机械谐振的情况。建议设置的参数如下：

p1967 = 50% =动态设定值(第一次优化运行的第一次设置;

p1965 = 50% =优化速度(=额定速度的50% p0311)

p1959[0] = 1CH =旋转测量配置设置

p1960 = 2 =带编码器的旋转测量

启动变频器，电机自动旋转高达额定转速的50%(见p1965)。单独的优化步骤可以使用r0047进行监视。结果显示在以下参数中:

p0341 = =电机转动惯量(仅当测量结果小于默认值时才改变设置p0341)

p0342 = = p0341中电机的总转动惯量与转动惯量之比

r0345 = =公称电机启动时间(归一化惯性矩)

p1460 = =速度控制器增益

p1462 = =速度控制器积分时间

p1496 = 100% =评估速度控制器预控制

其中速度预控需要看特定的应用，如果不需要可以将P1496复位为0。激活速度预控可以在转速限幅没有到达的情况下，在加速阶段接管速度控制器，同时防止负载波动引起的速度波动。

2、手动优化

自动优化结束后，还可以进行手动精调。主要调整的参数如下：

p1460 速度环增益

p1462 速度环积分时间

p1496 = 0 % 速度预控值

p1442 = 4 ms 实际速度滤波时间

启动变频器，将电机加速到额定速度的30%，施加2%的速度设定值的突变，监控转速设定值r62，扭矩设定值r0079，转速实际值r62，必须确保没有达到扭矩限制。在达到期望的瞬态响应之前，可以提高控制器增益，减少积分时间，但应避免产生震荡和扭矩超限。必要时也可以手动优化下10%和80%额定速度下的速度控制器。

图4-1 10%的参考速度（30%额定速度）时 Kp = 12, Tn = 85 ms, p1442 = 4 ms时图形

4.4. 优化DCM的励磁电流

优化DCM的励磁电流需要将电机转速转到80%左右，同时可以将S120侧的这些参数按如下设置：

p1620 = -20.0 % (of p0305/p2002) 最小定子电流

p1590 = 0,0 = 定子磁通控制器Kp

p1600 = 0,0 = 磁通控制Kp

同时监控，r1626 励磁电流设定 ,r1641 励磁电流实际

改变P1625让励磁电流在±10 % 或者 ±20 %之间突然变化，如果出现故障F07914 (Flux out of tolerance)，则必须提高阈值p3204。调整DCM励磁电流控制的Kp和Tn，使稳定时间在20ms左右（如图4-2）。同时需要注意阶跃变化输入不能使励磁电压达到极限。如果达到励磁电压极限，稳定时间几乎完全由最大电压的大小决定，只有在最小程度上由控制器的参数设置决定。

优化完DCM的励磁电流控制的Kp和Tn后，复位P1625的值,同时P1590和P1600的值恢复修改前的参数。用比较长的加减速时间（20s左右）将电机转到最大转速，同时监控磁通设定值(r0083)、实际磁通值(r0084[0])、转速(r0063)、励磁电流(r1641)（如图4-3）。如果发生振荡，则稍微降低励磁控制器的动态。

图4-2 优化励磁电流的阶跃响应

图4-3 励磁电流升速测试

4.5. 优化磁通控制器

优化完DCM的励磁电流后，有必要再优化一下磁通控制器。优化磁通控制主要是优化磁通控制器Kp P1590和定子磁通控制器Kp P1600两个参数。

首先优化P1590，在空载条件下，驱动器再次以80%的额定速度运行。设置P1600=0.0，p1620 = -20,0 %,p1628 = 50 % ,同时采集以下信号。

r1593[0] =场通量控制器输出

r1641 = 励磁电流实际值

r0084[0] = Psi(act)通量实际值，来自电压模型

r1602 =定子侧P磁链控制器励磁电流输出

将附加通量设定值p1572由0%突然更改为5%(或相反)，磁通是通过励磁设备DCM产生的。增加p1590(并可能减少p1592)，直到r0084[0]被快速修正而没有超调。但要注意动态响应严重依赖于励磁设备的信号响应时间，极短的积分时间会导致不稳定的行为。

图4-4 磁通控制器的优化 p 1590 = 0.8 ， p 1592 = 50 ms; 稳定时间 110 ms

按照同样的方法将P1590=0,P1600>0活P磁通控制器，将附加通量设定值p1572由0%突然更改为10%(或相反)，磁通是通过定子电流lsd产生的。增加p1600，直到r0084[0]修正迅速，没有超调。

图4-5 磁通控制器的优化 p1600=1.3；稳定时间50 ms

分别优化完P1600和P1590后同时激活两个磁通控制器，并将刚刚优化的值填进去。同时设置P1576=100%,P1570=80%。将附加通量设定值p1572由0%突然更改为5%(或相反)。通量现在通过两个控制器产生。通量实际值r0084[0]的瞬态响应应尽可能快，允许有超调但不要超过20%。如果两个控制器在一起工作时超调过大，它们可以让定子电流磁链控制器的增益p1600基本保持不变，而励磁电流磁链控制器的增益p1590减小到需要的响应值。优化完成后设置P1570=100%,P1572=0，1576=0，根据与励磁设备之间的信号响应时间长短，设置磁通设定平滑时间p1582 (>= 20ms)。

图4-6 磁通控制器的瞬态响应

5、总结

他励同步电机调试需要DCM和S120相互配合，难度高于永磁同步电机和异步电机的调试。

他励同步电机的调试需要一定的理论基础，在调试过程中由于理论知识不够扎实到导致调试过程遇到了很多困难和一些不完善的地方。在以后的工作中需要加强对理论知识的学习，了解调试过程中驱动参数的物理意义，做到理论联系实践。

参考文献

[1] Siemens AG. SINAMICS S120/S150参数手册.德国：2018.

[2] Siemens AG. SINAMICS DCM参数手册.德国：2015.

[3] SINAMICS S120 Commissioning Synchronous Motors with Separate Excitation.德国：2014.

[4] SINAMICS DCM Application, SINAMICS DCM as field supply unit.德国：2013.

[5] SLC DI RE JSS Sales 夏立涛 13913184950