轧钢厂输送辊道的变频调速系统设计

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轧钢厂输送辊道的变频调速系统设计

摘要

变频器传动已成为实现工业自动化的主要手段之一，在各种生产机械和生产线中有着广泛的应用。其中，重要的技术特征是可以充分地与现代网络技术结合，发挥智能控制的优势，实现分布式网络控制系统，这是工业企业自动化的重要发展方向，并已有一些很好的范例。现在，通用变频器在各行各业中的应用，已成为改造传统工业、改善工艺流程、提高生产过程自动化水平、提高产品质量、改善生产环境、节约能源、推动技术进步的主要技术手段之一，也是国际上更新最快的新技术领域之一。本论文首先简述了变频调速技术在我国的发展概况和国内外现状对比；其次根据轧钢厂输送辊道的工艺特点和对拖动系统的要求，对电动机、变频器进行选型，并提出变频调速系统的总体设计方案；最后对变频调速系统的主电路、控制电路以及实现控制的软、硬件进行了系统的设计，并对调速系统的实施方案进行了论证。

关键词：6SE70变频器；变频调速；异步电机；输送辊道

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Design of variable frequency variable speed system for conveyer roller of rolling mill

Abstract

Inverter driving has become the main means to realize industrial automation .In various production machinery and production line, it has a wide range of applications. One of the important technical characteristics, can be fully with the modern network technology, play advantage of intelligent control and distributed network control system, which is the important industrial automation development direction, and have some very good example. Now, the application of general inverter in every walk of life which has become one of the main technical means to alter traditional industries, improve the production process automation level, improve product quality, improve the production environment, energy saving, and promote technological progress ,which is one of the world's fastest update of new technology. This paper firstly describes the variable-frequency regulating speed technology in the development of our country and situation at home and abroad, Secondly according to the characteristics of rolling process, and constantly to drag system requirements for motor, frequency converter, selection of variable frequency speed regulation system, and puts forward the conceptual design scheme, Finally on frequency-variable speed-adjustable system of the main circuit and control circuit and control hardware and software design of the system, and the implementation scheme of speed control system are discussed.

Keywords ：6SE70 inverter；Frequency control of motor speed；Asynchronous machine；

Conveyer roller

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目录

摘要 ........................................................................................................................ I Abstract ............................................................................................................... II 1 绪论 ................................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景及意义 ..................................................................................................... 1 1.2 国内外发展状况和未来发展方向 ................................................................................. 2

1.2.1 我国变频调速技术的发展概况 ............................................................................ 2 1.2.2 国内外现状对比 .................................................................................................... 3 1.2.3 未来的发展方向 .................................................................................................... 4 1.3课题的主要研究内容 ...................................................................................................... 5

2 变频调速的基本原理 ..................................................................................................... 6

2.1 变频器的基本结构及工作原理 ..................................................................................... 6 2.2 变频调速技术的基本原理 ............................................................................................. 9 2.3 6SE70变频器的应用特点 .............................................................................................. 9

3轧钢厂输送辊道工艺和调速方案 .................................................................. 11

3.1辊道传输简介 ................................................................................................................ 11 3.2辊道的工艺特点和对拖动系统的要求 ........................................................................ 11

3.2.1 工艺特点 .............................................................................................................. 12 3.2.2 对拖动系统要求 .................................................................................................. 13 3.3辊道的调速方案 ............................................................................................................ 14

4变频调速系统的设计 ...................................................................................... 15

4.1硬件系统组成 ................................................................................................................ 15

4.1.1电动机的选用 ....................................................................................................... 15 4.1.2 变频器的选用 ...................................................................................................... 16 4.2系统方案 ........................................................................................................................ 17

4.2.1主回路设计 ........................................................................................................... 17 4.2.2控制回路设计 ....................................................................................................... 19 4.3 变频调速系统的运行 ................................................................................................... 20

4.3.1系统配置 ............................................................................................................... 20 4.3.2 外接控制端的配置及工作特点 .......................................................................... 22

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4.3.3参数设置 ............................................................................................................... 24

结论 ..................................................................................................................... 26 致谢 ..................................................................................................................... 27 参考文献 ............................................................................................................. 28 附录A .................................................................................................................. 29 附录B .................................................................................................................. 36

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1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

电气传动是以电动机的转矩和转速为控制物理量，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化控制系统。根据在完成电能一一机械能的转换过程中所采用的执行部件一一直流电动机或交流电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类。纵观电气传动的发展过程，交、直流两大电气传动并存于各个工业领域，虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位作用不同，但它们始终是随着工业技术的发展，特别是随着电力电子学和微电子学的发展，在相互竞争、相互促进中完善着自身，发生着变革。由于历史上最早出现的是直流电动机，所以在19世纪80年代以前，直流电气传动是唯一的电气传动方式。到19世纪末叶，出现了交流电，且解决了三相交流电的传输和分配问题，并制成了经济实用的笼型异步电动机，这就使得交流电气传动在工业中逐步得到了广泛的应用，并把电气传动应用技术推向一个新的阶段，在不调速的电气传动领域，交流电动机占主要地位。

随着生产技术的发展，特别是精密机械加工和冶金等工业生产过程的进步，对电气传动在起制动、正反转以及调速精度、调速范围等、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，由于直流传动系统具有调速性能好，线路简单，控制方便，过载能力强，能承受频繁冲击负荷等优点，在调速系统中直流电动机比交流电动机在技术上更容易满足上述要求，所以20世纪以来，在需要可逆可调速与高性能的电气传动技术领域中，相当长的时期内几乎都是采用直流电气传动系统。

直流机调速性能好的根本原因在于直流电动机的电枢电流和磁通之间互成直角坐标系，成为两个变量，互不相关，可以方便地调节电枢电流和磁通，从而进行转矩和转速的控制。而感应电动机则不同，其转矩与磁通，转子电流，转子功率因数有关，且三者都是转差率的函数，都难以直接控制，磁通和转子电流又不是两个相互的变量，这种复杂的关系是在动态中准确控制转矩比较困难的原因。1971年德国人伯拉斯切克(F.Blaschke)提出了异步电动机转子磁场定向矢量控制的方法，其思想是模拟直流机控制特点进行交流电动机控制，即通过电机统一理论和坐标变换理论，把交流电动机的定子电流分解成产生磁通的定子磁场电流分量和产生转矩的定子转矩电流分量，并使之互相垂直，相互，然后分别调节，从而使交流传动逐步具备了宽调速范围、高稳速

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精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，并实现了交流调速装置的产品系列化，取代直流电动机调速传动己是必然的趋势。

应用实践表明，采用交流调速技术极大地提高了传动系统的运行质量，带来了巨大的经济和社会效益。这一发展使得冷轧机主传动一向由直流调速电气传动所垄断的世袭领域，开始受到了交流调速电气传动的冲击。进入二十一世纪，交流调速技术继续向纵深方向发展，仍是目前科学研究的热点课题。本文针对某轧钢厂输送辊道的变频调速的研究及应用实践。

1.2 国内外发展状况和未来发展方向

1.2.1 我国变频调速技术的发展概况

电气传动控制系统通常由电动机、控制装置和信息装置3部分组成。电气传动关系到合理地使用电动机以节约电能和控制机械的运转状态(位置、速度、加速度等)，实现电能一一机械能的转换，达到优质、高产、低耗的目的。电气传动分成不调速和调速两大类，调速又分为交流调速和直流调速两种方式。不调速电动机直接由电网供电，但随着电力电子技术的发展这类原本不调速的机械越来越多地改用调速传动以节约电能(节约15%一20%或更多)，改善产品质量，提高产量。近年来交流调速中最活跃、发展最快的就是变频调速技术。变频调速是交流调速的基础和主干内容。

我国是一个发展中国家，许多产品的科研开发能力仍落后于发达国家。至今自行开发生产的变频调速产品大体只相当于国际上80年代水平。随着改革开放，经济高速发展，形成了一个巨大的市场，它既对国内企业，也对外国公司敞开。很多最先进的产品从发达国家进口，在我国运行良好，满足了我国生产和生活需要。国内许多合资公司生产当今国际上先进的产品，国内的成套部门在自行设计制造的成套装置中采用外国进口公司和合资企业的先进设备，自己开发应用软件，能为国内外重大工程项目提供一流的电气传动控制系统。虽然取得很大成绩，但应看到由于国内自行开发、生产产品的能力弱，对国外公司的依赖性严重。目前国内主要的产品状况如下:

1.晶闸管整流器和可关断器件(BJT，IGBT， VDMOS)斩波器供电的直流调速设备。这类设备的市场很大，随着交流调速的发展，该市场虽在缩减，但由于我国旧设备改造任务多，以及它在几百至一千多KW范围内价格比交流调速低得多，所以在短期内市场

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不会缩减很多。国产设备能满足需要，部分进口。自行开发的控制器多为模拟控制，近年来主要采用进口数字控制器配国产功率装置。

2.IGBT或 BJTPWM逆变器供电的交流变频调速设备。这类设备的市场很大，总容量占的比例不大，但台数多，增长快，应用范围从单机扩展到全生产线，从简单的V/f控制到高性能的矢量控制。约有50家工厂和公司生产。其中合资企业占很大比重。

3.负载换流式电流型晶闸管逆变器供电的交流变频调速设备。这类产品在抽水蓄能电站的机组起动，大容量风机、泵、压缩机和轧机传动方面有很大需求。国内只有少数科研单位有能力制造，目前容量最大做到12MW。功率装置国内配套，自行开发的控制装置只有模拟式的，数字装置需进口，自己开发应用软件。

4.交一交变频器供电的交流变频调速设备。这类产品在轧机和矿井卷扬传动方面有很大需求，台数不多，功率大。主要靠进口，国内只有少数科研单位有能力制造。目前最大容量做到7000~8000kw。功率部分国产，数字控制装置进口，包括开发应用软件。变频调速技术在国民经济和日常生活中的重要地位是由以下因素决定的:

1.应用面广，是工业企业和日常生活中普遍需要的新技术; 2.是节约能源的高新技术;

3.是国际上技术更新换代最快的领域; 4.是高科技领域的综合性技术;

5.是替代进口，节约投资的最大领域之一 1.2.2 国内外现状对比

1国外现状

国外交流变频调速技术高速发展有以下特点:

（1）应用范围扩大。随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器越来越广泛地应用在机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各个行业以及风机、水泵等的节能场合，并取得显著的经济效益。

（2）功率器件的发展。近年来高电压、大电流功率器件SCR、GTO、IGBT、IGCT、HVIGBT等的生产以及并联、串联技术的发展迅速，促进了高电压、大功率变频器产品的生产及应用。

（3）控制理论和微电子技术的发展。矢量控制、磁通控制、直接转矩控制、模糊控

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制、自适应控制等新的控制理论为高性能的变频器提供了理论基础;32位高速微处理器以及信号处理器 (DSP)和专用集成电路(ASIC)技术的快速发展，为实现变频器高精度、高性能、多功能、智能化目标提供了硬件手段。

（4）通用变频器相关配套社会化、专业化生产，小功率通用变频器已实现全数字化，采用IGBT的通用变频器己形成系列产品，正向软件化、网络化、智能化为基础的高动态性能方向发展。

2国内现状

从总体上看我国电气传动的技术水平较国际先进水平差距10~15年。在大功率交一交、无换向器电机等变频技术方面，国内只有少数科研单位有能力制造，但在数字化及系统可靠性方面与国外还有相当差距。而这方面产品在诸如抽水蓄能电站机组起动及运行、大容量风机、压缩机和轧机传动、矿井卷扬方面有很大需求。在中小功率变频技术方面，国内几乎所有的产品都是普通的V/f控制，仅有少量的样机采用矢量控制，品种与质量还不能满足市场需要，每年大量进口。

国内交流变频调速技术产业状况表现如下:

（1）变频器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模;

（2）变频器产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白; （3）相关配套产业及行业落后;

（4）产销量少，可靠性及工艺水平不高。 1.2.3 未来的发展方向

交流变频调速技术是强弱电结合、机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的转换(整流、逆变)，又要处理信息的收集、变换和传输，因此它的共性技术必定分成功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和智能控制策略)硬、软件开发问题(在目前状况下主要是全数字控制技术)。其主要发展方向有如下几项:

1.实现高水平的控制; 2.开发节能的变流器; 3.缩小装置的尺寸;

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4.高速度的数字控制;

5.模拟与计算机辅助设计(CAD)技术。

1.3课题的主要研究内容

根据轧钢厂输送辊道生产工艺的要求，对电动机、变频器进行选型，并提出设计方案；设计出交流调速系统的系统构成图，包括主回路、控制回路设计，基于组态，给出变频器工作的参数表。

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2 变频调速的基本原理

2.1 变频器的基本结构及工作原理

变频器就是能够分别连续改变频率和电压的电源设备。变频器按变换环节分为交—交变频器和交—直—交变频器。

交—交变频器是把频率固定的交流电源变换成频率连续可调的交流电源。其主要优点是没有中间环节，故变频效率高，但其连续可调的频率范围窄，一般为额定频率的1/2以下。

交—直—交变频器是先把频率固定的交流电整流成直流电，再把直流电逆变成频率连续可调的三相交流电源。由于把直流电逆变成交流电的环节较易控制，因此，在频率的调节范围，以及改善频率后电动机的特性等方面，都有明显的优势。

交—直—交变频器的基本构成为主电路(包括整流电路，中间直流环节，制动电路、逆变电路)和控制电路。其基本结构如图2.1所示。 (1)整流电路

一般的三相变频器的整流电路由三相全波整流桥组成。它的主要作用是对工频的外部交流电源进行整流，并给逆变电路和控制电路提供所需要的直流电源。

图2.1变频器结构示意图

(2)逆变电路：

逆变电路主要作用是通过逆变器中主开关器件的有规律地通与断，从而得到可变电压、频率的交流电输出。

常用的开关器件有绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力场效应晶体管(MOSFET)、电

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力晶体管(GTR)、门极关断(GTO)晶闸管以及等。几种开关器件的结构如2.2所示。 在以前逆变器中，所采用的电力电子器件主要是晶闸管，其开关频率较低，调速系统的控制方式在当时主要是调压与调频分别控制，即相控整流器控制输出电压的幅值，逆变器开关频率控制决定输出电压的频率，这种调压、调频分别控制方式量简单，易于调整，但有许多缺点：调速系统功率因数差，转矩脉动大，动态响应慢等。

(a)GTR (b)MOSFET (c)IGBT (d)IGBT等效原理

图2.2几种电力半导体结构示意图

近年来，随着电力电子技术的发展，具有自关断能力的元件如大功率晶体管GTR和门极可关断晶闸管GTO开始得到广泛应用，产生了一种新型的调压—调频综合控制技术—脉宽调制技术及相应的PWM逆变器。[2]

现在的SPWM逆变器，均是以IGBT为开关器件。IGBT融合了GTR与MOSFET的优点，具有容量大开关频率高等特点，IGBT的平均开关频率能够达到20kHz左右。 SPWM逆变器，能够同时完成调压和调频的任务。SPWM逆变器所采用的SPWM (Sinusoidal Pulse width Modulation)方式，其原理如图2.3所示。采用参考正弦电压波与载频

图2.3 SPWM调制方式原理图

三角波互相比较，决定主开关的导通时间来实现调压，利用脉冲宽度的改变来得到幅值不同的正弦基波电压。脉宽调制型变频器不仅可以把调压和调频的功能集于一身，

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而且还因采用不可控整流，简化了整流装置，降低了整流器的造价，同时还改善了系统的功率因数，特别是通过采用适当的调制方法可以使变频器输出电压中谐波分量，尤其是低次谐波显著减少，从而使异步电动机的技术性能指标得到了大幅度地改善。 (3)中间直流环节

由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载，无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为1，因此，在中间直流环节与电动机之间总会有无功功率的交换，这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。如果中间储能元件，采用大容量的电容并联在直流环节上，由于电容两端的电压不能突变，因此，直流环节的电压比较稳定，相当于恒压源。如果中间储能元件改为一个大的串联电感，那么直流部分就相当于一个恒流源。根据中间电路储能元件的不同，可分为电压源型变频器和电流源型变频器。 (4)制动电路

一般的电压源型交—直—交变频器为不可逆变频器，即变频器正常运行为两象限运转，电源只向异步电动机输出功率。对于减速时需要制动力的负载，功率会从异步电动机向逆变器回流，此时变频器需附加一套制动电路，以实现电机Ⅱ，Ⅳ象动，制动电路采用制动电阻的形式，当异步电动机工作在制动发电状态时(转差率为负)，将产生再生能量，再生能量存与变频器平滑回路电容器中，使平滑回路中直流电压升高，当电压升高到一定值时，控制电路使制动部分的晶体管导通，再生能源流入电阻器被消耗掉。再生能量较大时，控制单元和电阻单元将分别设置。对于需要急加减速度，并且加减速度频繁的场合，或对于制动为主要目的场合，需采用可逆变频器，实现电动机的四象限运行，即双向电动和能量回馈制动运行，这种逆变器可以将电机的再生能源反馈回电网。实际上由于变频器的整流为高频非线性，因此会产生高次谐波，使电网的电压和电流波形发生畸变，对电网造成污染，因此需要一些附件来处理。 (5)控制电路

控制电路常由运算电路，检测电路，控制信号的输入、输出电路和驱动电路等组成。其主要任务是接受各种信号，进行基本运算，输出计算结果，完成对逆变电路的开关控制，对整流器的电压控制(可控型)以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性，数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。

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2.2 变频调速技术的基本原理

当在一台三相异步电动机的定子绕组上加上三相交流电压时，该电压将产生一个旋转磁场，其速度由定子电压的频率所决定。当磁场旋转时，位于该磁场中的转子绕组将切割磁力线，并在转子绕组中产生相应的感应电动势和感应电流，而此感应电流又将受到旋转磁场的作用而产生电磁力。使转子跟随旋转磁场旋转[1]。 交流电动机的定子旋转磁场的转速公式为:

60f1 n1p(3.1)

式中f1—电源频率；p—极对数。

根据异步电动机转差率的定义

nnns11

nn11(3.2)

可知异步电动机转速表达式:

60f1(1s)n(1s)nn n11p (3.3)

由式(3.3)可知只要调节异步电动机的供电频率f1：调节转差率s改变磁极对数p，均可以实现对交流电动机速度的调节，分别对应交流电动机的三种调速方式：变频调速、改变转差率调速和变极调速。但变频调速调速范围宽，响应快，启动特性好，启动和正反转控制简便，运行经济，效率高，被认为是交流电动机合理且理想的调速方式。

2.3 6SE70变频器的应用特点

6SE70变频器是全数字电压型采用IGBT功率器件模块化结构的通用系列标准产品，其主要特点有整流单元带能量回馈制动、可以实现转矩限定、磁场定向控制、电机四象限运行、瞬间电源故障后的平衡回复以及自动加减速控制。错误自诊断等功能。并且具有低噪声、高可靠保护等特点。

6SE70变频器的PWM调制脉冲形成环节对于VVVF控制和矢量控制是一样的，该环节对于VVVF控制需要调制深度和频率两个输人量，当采用矢量控制只是增加了一个

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关于转矩电流分量相对于定子总电流矢量夹角的相移调整量，这就从原理上保证了加到电机上的三相电压的对称性，在矢量控制时电机不会因矢量运算错误或定向不准确而导致脉振，这一特点也使得6SE70变频器能够在成组传动(一台变频器带多台电机)中采用矢量控制，从而使传动系统的动态性能提高，在冶金行业轧机机前机后辊道、矫直机输人输出辊道的成组传动中这一特点得到了的体现。并且6SE70变频器在电机四象限运行过程中，由于整流回馈单元的逆变绕组通过自藕变压器的高压侧再接入电网，逆变电路获得了高的交流输人电压，提高了换向能力和换向的可靠性，使得变频器获得了更高的有源逆变能力，保证了变频器制动运行时的快速性。[2]

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3轧钢厂输送辊道工艺和调速方案

3.1辊道传输简介

在自动化大生产中，将要求加工、处理或搬运的工件按照工艺要求沿一定的路径连续输送时，大量地采用辊道传送方式。当然，被传送的工件必须有一定的条件，比如，在被传送的方向上。其几何形状、几何尺寸的长度上要符台辊道传送的要求，整体刚度也应适合辊道传送等等。但这些要求恰恰形成了辊道传送的特点，加上这种传动组合方便，对物件与环境温度、湿度适应范围极宽，因此，在许多加工行业中,尤其是冶金行业内，得到了广泛的应用。

辊道传送的动力源是辊道电动机。辊道电动机带动道辊滚动的方式主要有如下几种：

1电动机直接驱动单辊。 2电动机经减速器后驱动单辊， 3电动机直接经链条驱动多辊。 4电动机经减速器后由链条驱动多辊。

用电动机作为动力源的道辊称为主动辊。无动力源的道辊称为被动辊。被动辊处于两个主动辊之间，起滚动传递作用。并不是所有的辊道都有被动辊。视驱动的物件的长度、重量及辊道电动机驱动能力而定。通常将苦干个主动辊(必须)和若干个被动辊(选用)组合在一条线上，以达到某一工艺要求，称之为一个辊道组。一个完整的生产线其辊道传动系统就是由若干个辊道组组成的。辊道传送的控制主要是控制辊道电动机的起停、转向和转速。为了改变工件传送的方向，以便与加工、处理设备相衔接，还要配备各种不同的给料装置。给料装置的动作有些是完成的，有些是与辊道的控制同步进行的，因此,不清楚整体工艺要求，断定是做不好传送系统的整体控制的。

3.2辊道的工艺特点和对拖动系统的要求

轧钢厂辊道很多，大型轧钢厂一般轨道总数都在一千个以上，不同的用途的辊道其

工艺特点及对拖动系统的要求也不完全相同，这里以H型钢厂粗轧机前后输入、输出辊道机构如图3.1所示。布置在粗轧机机架前后的输入、输出辊道，由地角板上安装的齿轮电机通过挠性连轴节单独拖动，辊子轴承为减摩轴承，安装在轴承座中，轴承座、拖

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动电机、辊身都用螺栓固定在钢制辊道架上。

图3.1通用辊道结构图 3.2.1 工艺特点

H型钢厂轧制线布置如图3.2所示

图3.2 H型钢轧制线布置图

根据工艺要求，从加热炉出来的热钢坯有出炉辊道运至开坯区，经除磷装置上喷嘴环喷射的17~20MPa的高压水清除表面一次氧化铁皮，除磷时轧件的运行速度为1.5m/s。经除磷后的轧件运至开坯机进行轧制。轧制过程分为几个阶段：咬入、稳定、轧制、抛尾，相应的轧制速度为咬入速度、轧制速度和跑位速度。低速咬入有利于轧件咬入轧机；低速抛尾使扎加粗轧辊后抛出距离短，且有利于轧机主拖动电机降速反向，从而缩短道

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次间隔时间。较高的轧制速度可缩短纯轧制时间。开坯机前后工作辊道的正反转和速度控制，均与轧机主拖动电机同步连锁，辊子均为实心辊，辊长2800mm，单独拖动，速度为0~5m/s可调。

开坯机前后工作辊道口各设有一台带翻钢钩的推床，翻钢钩与推床同步移动，可以再任何道次翻钢，工作辊道与推床同步连锁。开坯轧制为孔型方式多道次可逆轧制，根据不同规格尺寸，轧件在开坯机轧制5~11道次。在同一孔型下多道次压下轧制时，要求在轧制过程中调整轧制线，开坯机前后工作辊道的高度固定不动，轧制线调整采用轧机下轧辊压上方向进行。经开坯，切口后的轧件送入万能出轧机的输入辊道，经粗轧多道次可逆轧制，然后由辊道将轧件送至精轧机轧成成品。

为了使钢坯的温度基本不变，从而保证轧件的质量，要求轧制过程的时间竟可能缩短。即要求辊道拖动系统具有快速启动、快速运行和快速制动的功能。另外，传递轧件的输送辊道还必须与轧辊的速度向配合，而轧辊的速度在一定范围内是可调的。考虑到可逆热轧机是反复反复多道次可逆轧制，因此辊道也必须可逆运行。所以为满足轧制工艺要求，辊道拖动系统必须能够快速启动、平滑调速和可逆运行。[3] 3.2.2 对拖动系统要求

根据轧制工艺，一般对可逆热轧机输入、输出辊道拖动系统的要求如下： 1轧件一送入辊到但尚未咬入轧机之前，此时辊道从高度减速以不使轧件产生滑动的最大减速度进行控制，达到轧机的咬入速度后则保持不变。

2 轧件咬入轧辊后，辊道与轧机的速度联动，辊道能与轧机一起进行最大匀加、减速控制。

3 轧件从轧机抛出后，辊道与轧机的联动脱开，此时轧机以最大匀减速度停车。当轧制程序设定结束后，即下一道次开口度已经达到时，为了获得下一道次需要的咬入速度，辊道能以最大加减速度反转，直至加速到咬入速度为止。

4 轧件被抛出后，在辊道上的停留位置，既要考虑到下一道次的咬入速度，又不使轧件抛出太远，以减少道次间的停车时间。

辊道和轧机的速度是根据轧件的位置确定的，而轧件位置的跟踪主要是通过设置在各段辊道和轧机出、入口的热金属检测器（HMD）来完成。作为扎件跟踪的辅助手段，一般还检测轧机主拖动电机的电流和轧机上的测压仪是否给出咬钢信号，从而进一步提

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高轧件跟踪的可靠性。

3.3辊道的调速方案

生产机械的调速方案，一般由拖动电动机、供电电源装置和控制系统三部分组成。不同的生产机械，其负载性质、工艺要求和环境条件不完全相同，选择的调速方案也不同。轧钢生产线上的辊道属于呈反抗性质的恒转矩负载，且是重复短期工作制，他要求拖动电动机具有足够的起、制动转矩和短时过载能力，以满足加减速时间和行程的要求。交流电动机结构简单、价格便宜、维护工作量小，但起制动和调速性能不如直流电动机方便，因此，以前要求调速的辊道拖动多采用直流电动机。但是直流电动机由于存在公用的缺点，且随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速装置的性能和成本已能与直流调速相媲美，越来越多的直流调速领域正被交流调速所取代，特别是对高温、多尘、多水汽的轧钢生产线，目前都采用交流调速方案，考虑到轧钢现场环境较恶劣，而且辊道负载一般不超过几十千瓦，所以辊道拖动电机基本都采用具有高过载能力的笼型异步电动机，电动机调速方案采用交—直—交PWM变频调速如某H型轧钢厂辊道调速方案见3.1表。[3]

表3.1 辊道调速方案

辊道名称 开坯机前后延伸辊道 开坯机工作辊道 粗轧机输出辊道 精轧机输入辊道 精轧机输出辊道 矫直机输出辊道 收集台架输出辊道 辊数 11×2 12×2 30 31 76 58 70 拖动电机功率及转速 P=15kw n=351r/min P=18.5kw n=430r/min P=7.5kw n=568r/min P=7.5kw n=568r/min P=5.5kw n=945r/min P=2.2kw n=240r/min P=1.1kw n=60r/min 辊速（m/s） 0~5 0~5 0~10 0~10 0~10 0.3~4 0.3~1.2 调速方案 交直交变频 交直交变频 交直交变频 交直交变频 交直交变频 交直交变频 交直交变频

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4变频调速系统的设计

4.1硬件系统组成

4.1.1电动机的选用

1电动机选用原则

（1）电动机的全部电气参数和机械参数，包括工作制、额定功率、最大转矩、最小转矩、堵转转矩、飞轮矩、转速等，应满足生产机械在启动、制动和桅顶运行各种运行状态的要求。

（2）电动机的类型和额定电压满足电网要求。如电动机启动时，保持电网电压在一定的水平，运行中保持功率因数在合理的范围之内。

（3）电动机的结构形式、冷却方式、绝缘等级等，应符合工作环境的要求。

（4） 电动机的额定容量应留有适当裕量，负荷率一般在0.8~0.9范围内。异步电动

机的容量不能太大，否则不但使成本增加，且效率和功率因数降低，空载起制动和反转时间也会增加。 2电动机型号选择

轧钢厂现场生产机械的拖动电动机，由于需要经常处于频繁起、制动和可逆运行，且为断续周期性负载，同时工作环境处于高温、高湿、高粉尘，一般选用YGP冶金专用三相异步电动机，YGP系列电动机有以下特点：

（1）考虑到环境的粉尘，采用防护筹级为 IP55,适合粉尘较多的钢铁企业使用。考虑到冶金系统环境十分恶劣，电动机绝缘等级有F级和H级

（2）安装尺寸和功率符合国际电工委员会的标准，可与国外电动机互焕。 （3）按照40%（S3）为基准负载持续率进行设汁，更符合治金企业实际运行情况。 综合轧钢现场工艺及拖动系统要求和电机的选用原则，本文选取电动机型号为YGP200L-6。

表4.1 YGP200L-6电动机参数

型号 YGP200L-6 额定功率 7.5kw 额定电流 16.1A 最大转矩 3.0 额定转速 568 r/min 功率因数 0.83 最大电流 60A 辽宁科技大学本科生毕业设计 第16页

4.1.2 变频器的选用

1变频器的基本功能选择 由辊道对拖动系统的要求可知，辊道属于要求快速正反转、有一定调速范围且有负载的冲击反抗性恒转矩负载，且辊道量大，拖动电动机数量多，作为给电动机供电的变频器必须具备以下功能：

（1）保证电动机加减速是所需要的动态转矩。电动机的加速电流（不能超过电动机的瞬时过载能力）应在变频器过电流容量以下，既不使变频器防止过电流失速保护电路动作。为了保证减速时间，电动机的再生能量应不使变频器再生过电压失速保护电路动作。由于负载处于频繁起制动状态下，所以要求变频器具有较强的再生制动功能。

（2）保证电动机具有一定的调速范围。对恒转矩负载来说，电动机的调速范围主要取决于其调速方式，所以应选择能覆盖所需速度控制范围的变频器。

（3）由于辊道要与主轧机和其他辅助设备联动，所以变频器必须具有通信功能。由上述可知，用于辊道拖动的变频器，必须具有充分的再生制动功能，较大的过载容量和一定的控制精度。[4]

2变频器的供电方式选择 在自动化轧制的生产线上，有大量的辊道，为了保证辊道拖动的可靠性，一般都采用单电机拖动。如果每台电动机都采用单独的变频器供电是很不经济的，而且主电路庞大，使故障率提高，将影响系统运行，同时轧钢生产线现场也不允许有如此多的控制柜。另外辊道控制制动启动频繁，如果变频器采用再生回馈制动单元，那么再生能量将不断地回馈电网，这种反复大动作回馈对晶闸管是不利的，如果将再生能量消耗在制动电阻上，消耗的能量是可观的。所以多电机拖动一般宜采用公用直流母线的供电方式，如图4.1所示。

3 变频器容量计算 变频器的额定电流值≥K[N×IMN+n(IMDN-IMN)] 式中N—组内辊道电动机台数；

IMN—辊道电动机额定电流(通常一个辊道组选用一台变频器，一个辊道组内的辊道电动机型号通常是相同的，极少例外)； IMDN—辊道电动机堵转电流；

n— 可能堵转的辊道电动机台数(它可以取总电动机台数的某一比例，亦可取传送物件可覆盖的主动辊道数)；

K—系数，一般取1.1或大于1.1，不言而喻，它与所选取的变频器的质量有关。

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粗轧机辊道采用两台变频器供电，每台给15个电机供电，n选取5台。根据变频器要求功能和供电方式选取装机柜型6SE7035-1EK60 额定电流510A 容量250KW，电动机参数见表4.1。

变频器容量验证： 510≥1.1[15×16.1+5×（60-16.1）]=507.1 所以选取的变频器符合要求。

图4.1 公用直流母线主电路结构图

4.2系统方案

根据辊道对拖动系统的要求，本系统的粗轧机输送辊道电机均为YGP辊道专用异步电动机，采用西门子公司的6SE70系列变频器控制电动机的拖动，利用西门子6SE70系列变频器的开环v/f控制方式来实现对辊道电动机控制。并且控制辊道电动机正反转、高低速的信号可以来自PLC逻辑控制，也可以直接来自操作台。 4.2.1主回路设计

辊道拖动系统主回路采用逆变器和整流/回馈单元组合的方式，它提供了多电机组合拖动并使用公用母线的可能性使拖动系统的结构灵活，成本降低。主回路电气原理图如图4.2所示。

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图4.2 主回路电气原理图

主回路部分器件功能介绍如下[7]：

1熔断器

网侧熔断器起短路保护作用，而且取决于它们的工作级别它们也保护所连接的半导体器件和整流器或装置的输入整流器。

2接触器

通过网侧接触器，变频器或整流单元或整流/回馈单元连接到电源上，在需要时或故障情况下从电源断开。

3进线滤波器

降低变频器或整流单元所产生的无线电干扰电压。

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4进线电抗器

网侧进线电抗器电流尖峰并减小谐波。 5输出电抗器

由较长的电机电缆产生的电容性电流并使位于离变频器/逆变器距离较远的电机能够运行。

6正弦波滤波器或dv/dt 滤波器

在电机端子上产生的电压上升率和电压峰值(dv/dt-滤波器)或在电机端子上产生正弦波电压(正弦滤波器)。

7 输出接触器 8 （24V）辅助电源

当网侧电压中断时，外部 24V 电源用于支持被连接装置的通讯功能和诊断功能。整流单元始终需要一个外部 24V电源。 4.2.2控制回路设计

根据辊道输送变频调速系统的控制要求，我们采用v/f开环控制方式来实现辊道变频调速功能。变频调速系统控制结构图如图4.3和控制回路的接线图如图4.4所示。

输出接触器用于充电中间回路时，电机必须与变频器/整流单元电气隔离。

图4.3 a)

图4.3 b)

图4.3 变频调速系统控制结构图

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图4.4 控制回路接线图

4.3 变频调速系统的运行

4.3.1系统配置

整流/回馈单元 整流/回馈单元的电气原理如图4.5所示。整流/回馈单元为逆变器提供公用直流母线，它由三相电源输入端子、整流桥、参数设定和操作单元、控制

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和调节的电子板箱、直流母线输出端子等组成。

图4.5 整流/回馈单元电气原理图

该单元采用短路压降为2%的进线电抗器，以电网谐波。采用了工作系数为25%的自耦变压器，一般选变比为1：1.2，采用自耦变压器的好处是：

1保证电动机在再生状态能达到最大转矩。因为，为了防止有源逆变桥在逆变工作时的逆变，最小逆变角βmin为30°左右，若不加变压器匹配电压，则工作在整流状态的整流桥αmin也为30°左右，导致直流母线电压降低，电动机转矩下降。

2避免电动机因直流母线电压降低而提前今进入弱磁区。 3 在功率因数较低及电网干扰的情况下，进行有效隔离。

由于公用直流母线上各负载的运行状态不尽相同，特别是对要求频繁起制动的负载，会引起母线电压和电流的大幅波动，从而直接影响母线上其他负载的运行，所以必须对母线电压和电流进行控制。[5]

DC逆变器 DC逆变器适用于（280—930）V范围内不同电压等级的直流电网，逆变器的电路结构如图4.6所示，由直流连接母线、参数设定与操作单元、控制和调节的电子版箱、IGBT功率元件、电机接线端子等组成。如果变频器与电机之间采用长电缆接线时，为防止变频器被电缆电容充电而产生的附加峰值电压和峰值电流，避免电动机绝缘过早老化而发生故障，可采用输出电抗器或du/dt滤波器来进行控制。

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图4.6 逆变器的原理框图

4.3.2 外接控制端的配置及工作特点

控制接线端子 控制端子功能很丰富，这里仅列出常用信号端子，其相应的功能码设置见参数设置部分。

X101:3—开关量输入1，用作变频器的起、停信号；

4—开关量输入2，外部条件允许信号；

5—开关量输入3，正、反向选择； 6—开关量输入4，高、低速选择； 7—开关量输入5，正向点动控制信号； 8—开关量输入6，反向点动控制信号。

表4.2 X101端子与内部开关量对应表 端子序号 3 4 5 6 7 8 对应的内部开关量 B0010 B0012 B0014 B0016 B0018 B0020

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X102:13、14、16—外接频率给定电位器，-10～+10V。

变频器外部开关状态控制方式，使“允许工作”端处于闭合状态，则“起/停”闭合时，电动机起动，运行于频率设置的给定值(0～±10VDC,通过端子X102：13、14、16，外接电位器),给定值为正时，电机正转，给定为负时，电机反转。当“起/停”处于断开状态时，电动机即降速停止。

速度设定也可以采用多步设定方式，端子接线如图4.7所示。在“允许工作”端处于闭合状态、“起/停”闭合时，电动机起动，根据X101：5、6端子的状态，电动机可以运行于正向高速、正向低速、反向高速、反向低速 。速度设定在P401 、P402 、P403 、P424中。正向点动和反向点动控制与此类似，其控制信号由端子X101：7、8来控制，点动速度设定在P448、P449中。

图4.7 变频器输入输出端子图

图4.7中，为了防止外部线路串入的干扰信号，KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6来自中间继电器的触点，所有控制信号可以来自PLC逻辑控制，也可以直接来自操作台。[6]

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4.3.3参数设置

相应的参数编制如下[7]： P060=2 固定设置菜单

P366=0 0:具有PMU的标准设置；1：具有OP1S的标准设置 P970=0 参数复位 P060=5 P071=380v P095=10 P100=3 P101=380v P102=16.1A P103=0 P108=568 P109=6 P115=1 P130=10 P330=1 P114=1 P383=0 P368=2 P5=0010 P462=1 P463=0 P4=1 系统设置菜单 装置输入电压

异步/同步电机，国际标准 1:V/f控制

3:无测速机的速度控制 4:有测速机的速度控制 5:转矩控制 电机额定电压 电机额定电流

电机励磁电流，如果此值未知，设P103=0当离开系统设置此值自

动计算。

电机额定转速 电机极对数

自动参数设置，参数值P350-P3设定到额定值 10:无脉冲编码器;11:脉冲编码器 0:线性（恒转矩）;1:抛物线特性

控制系统的工艺边界条件，1：扭矩、齿轮传动和较大的惯性矩 确定电机冷却方式 选择设定值和命令源 起/停命令

斜坡函数发生器加速时间

斜坡函数发生器加速时间的单位o:s;1:min;2:h 斜坡函数发生器减速时间

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P465=0 斜坡函数发生器减速时间的单位o:s;1:min;2:h P580=0014 正向/反向控制信号 P581=0016 高速/低速控制信号 P568=0018 正向点动控制信号 P569=0020 反向点动控制信号 P401=50Hz 正向高速频率值 P402=30Hz P403=-50Hz P404=-30Hz P448=10Hz P449=-10Hz P443.0=0041 P443.1=0042 P443.2=0043 P443.3=0044 P571=1 P572=1 P561=0012 P060=0 正向低速频率值 反向高速频率值 反向低速频率值 正向点动频率值 反向点动频率值

设置主给定值为正向高速频率值 设置主给定值为正向低速频率值 设置主给定值为反向高速频率值 设置主给定值为反向低速频率值 允许正向运转 允许反向运转

变频器允许工作控制信号 结束参数设置

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结论

根据具体情况及硬件条件，灵活运用SIEMENS 6SE70变频器设计变频调速系统，可以满足复杂工艺控制要求。要满足大的控制区域要求可使用通讯控制。SIEMENS 6SE70系列变频调速系统具有方便、灵活、高精度的优点，但对维护与调试人员的水平也要求较高。由于作者对于6SE70变频器尚在学习和摸索阶段，所以设计中难免有纰漏和不足之处，希望各位老师和同学予以批评指正。

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致谢

值此毕业设计完成之际，我要对悉心指导我论文的导师马连增献上最诚挚的谢意。本设计是在马老师的悉心关怀和指导下完成的。马老师不仅在学术上进行了指导帮助，还在生活上进行了关心爱护。在与导师的相处中，最令我难于忘怀的是马老师严谨的治学态度和诲人不倦的教书育人精神。谨在此对马连增老师表示诚挚的感谢和崇高的敬意！

在本设计的研究过程中，我还得到了付守壮、赵闯等同学热情的帮助。本设计的顺利完成，与他们的大力帮助和支持是分不开的，谨在此对他们表示衷心的感谢!

感谢所有曾关心和帮助过我的老师、同学和朋友们。

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参考文献

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中国技术贸易论坛http://club.k8008.com/showtopic-1086.html，2008_05_20/2009_05_18.. [2] 付春钢. 西门子6SE70矢量控制变频器的调试及其在冶金行业的应用特点 DB[DB/OL].中国期刊全文数据库http://ckrd.cnki.net/grid20/, 2007_11_26/2009_05_25. [3] 张燕宾.轧钢厂输送辊道变频调速[M]. 北京：机械工业出版社，2001，263-2. [4] 肖明运.西门子6SE70系列变频器调试注意事项DB[DB/OL].

中国期刊全文数据库http://ckrd.cnki.net/grid20/ ，2001_04_10/2009_05_28. [5] 刘景霞，郝建忠. SIEMENS 6SE70系列变频调速系统应用DB[DB/OL]. 中国期刊全文数据库http://ckrd.cnki.net/grid20/ , 2002_01_22/2009_05_29. [6] 叶建军.浅谈6SE70变频器的应用DB[DB/OL].

中国期刊全文数据库http://ckrd.cnki.net/grid20/ ，2006_06_02/2009_06_01. [7]西门子公司. 6SE70变频器应用手册（中文版）[Z]. http://www.ad.siemens.com.cn/，2007_0708/2009_06_01 [8] Siemens Company. Siemens 6SE70 inverter used manual[Z] http://www.ad.siemens.com.cn/，2007_0708/2009_06_01

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附录A

Siemens 6SE70 inverter

Configuration and Connection Examples

Single-axis drive

The single-axis drive is used if only single-drive tasks need to be accomplished or if power equalization through several axes is either undesired or not possible. For this purpose, a converter is used that is directly connected to the 3-phase supply via an external main contactor, a line filter and a line reactor as necessary. Any regenerative energy is stored in the capacitor module or reduced in the braking resistor. Multi-axis drive up to 3 axes

In the case of multi-axis drives a converter (AC-AC) can be combined with inverters (DC-AC). The converter rectifies the line voltage and supplies the inverters with direct voltage via the DC link bus module. The power supply integrated in the converter further provides the 24 V supply voltage for the electronics of a maximum of 2 inverters. If more than 2 inverters are connected, the 24 V supply for the electronics must be provided by an external power supply. The total rated output currents of the inverters supplied by a converter must not exceed the rated output current of the feeding converter (in the case of 6SE7021-0EP60 only half the rated output current). The regenerative energy generated in one axis can either be used up by the other motors, stored in the capacitor module or reduced in the braking resistor. Multi-axis drive

In the case of multi-axis drives (see Fig. 2-3) with more than 3 axes, several inverters are connected to the line voltage via a common rectifier unit. An external power supply is required for the 24 V supply voltage for the inverter electronics. The regenerative energy originating in one axis can be used by the other motors, stored in the capacitor module or dissipated in the braking resistor. Configuration and connection examples 1) Line contactorQ1

All the equipment is connected to the line via the line contactor, which is used to separate it

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from the line if required or in the event of a fault. The size of the line contactor depends on the power rating of the connected converter or inverter. If the line contactor is controlled from the converter, the main contactor check back time P600 should be set to at least 120 ms. 2) Line fuses

According to their response characteristic and to suit the requirements, the line fuses protect the connected cables and also the input rectifier of the unit. 3) Line commutating reactor

The line commutating reactor limits current spikes, reduces harmonics and is necessary for keeping system perturbations to within the limits laid down by VDE 0160. 4) 24 V power supply

The external 24 V supply is used to maintain the communication and diagnostics of the connected-up units even with powered-down line voltage. The following criteria apply regarding dimensioning:

♦ A current of 1 A must be provided for the rectifier unit, and a current of 2 A for each inverter connected.

♦ When the 24 V supply is powered up, an increased inrush current will be generated that has to be mastered by the power supply.

♦ No controlled power supply unit has to be used; the voltage must be between 20 V and 30 V. 5) ON/OFF

In the case of a single drive and a multi-axis drive without a rectifier unit, a switch is used to energize or de-energize the line contactor. When they are switched off, the drives are not brought to a controlled standstill, but are broken only by the load. In the case of a multi-axis drive with a rectifier unit, a pushbutton is used to energize the line contactor. The line contactor is kept energized by means of a lock-type contact connected to the fault signaling relay of the rectifier unit, as long as no fault is detected at the rectifier unit. 6) OFF switch

Operating the OFF switch causes the line contactor to open immediately. The drives are not brought to a controlled standstill, but are broken only by the load. 7) Fault signaling relay

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If a fault occurs in the rectifier unit, a fault message is output via the connecting contacts of the signaling relay. When the 24 V supply is connected, the relay closes as long as no fault is present. In the event of a fault, the lock of the line contactor is opened, the contactor drops out and the drives coast down. 8) Internal USS bus

The USS bus is used for the internal communication of the units and only has to be connected if it is required. 9) X101

The digital inputs and outputs and the analog input and output have to be assigned according to the requirements of the drives. CAUTION: Terminal X101.1 may not be connected with the external 24V supply.

10) X320 interface of the rectifier unit

The X320 interface of the rectifier unit serves only for permanently connecting the user-friendly OP1S operator control panel and for connection to the on-line inverters. Please refer to the relevant operating instructions for the applicable measures and notes for correct operation.

11) X103 serial interfaces

The serial interface is used to connect the user-friendly OP1S operator control panel or a PC. It can be operated either according to the RS232 or the RS485 protocol. Please refer to the relevant operating instructions for the applicable measures and notes for correct operation. 12) Precharging the capacitor module

When a capacitor module is used, the terminals for precharging the capacitors must be connected.

13) Output contactor

The use of an output contactor is purposeful if a motor needs to be electrically isolated from the converter/inverter with the DC link charged. 14) Line filter

Use of a line filter is necessary if the radio interference voltages generated by the converters or rectifier units need to be reduced.

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15) Motor supply line

The Siemens cables described in the catalog should be used for connecting the converter and the motor to each other. 16) Safe STOP (Option)

The \"Safe Stop\" option enables the power supply for the transmission of pulses into the power section to be interrupted by a safety relay. This ensures that the unit will not generate a rotating field in the connected motor. 17) Auxiliary contactor

The auxiliary contactor is used to interrupt the self-holding condition of the main contactor in the event of a fault signal. It must be used if the control voltage for line contactor Q1 is 230 V AC. The auxiliary contactor is not required if a line contactor with a control voltage of 24 V DC is used.

18) Pulse generator

Used to acquire the motor speed and allows speed-controlled operation with the highest degree of dynamic response and precision. Water-cooled units

If you are using water-cooled MASTERDRIVES please note that the permissible operating pressure depends on the construction type. Operating pressure ≤ 1 bar. Operating pressures above 1 bar not permitted! If the system is to be operated at higher pressure, the pressure on each unit must be reduced to 1 bar initial pressure. Operating pressure ≤ 2.5 bar. Operating pressures above 2.5 bar not permitted! If the system is to be operated at higher pressure, the pressure on each unit must be reduced to 2.5 bar initial pressure. Explanations relating to the configuration examples 1) Line fuses

The line fuses afford protection against short circuit and, depending on their utilization category, also protect the connected conductors and rectifier or input rectifier of the unit. 2) Line contactor K1

The converter or rectifier units or infeed/regenerative feedback unit is connected to the power supply via the line contactor and disconnected in case of need or in the event of a fault. The

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system is dimensioned according to the output of the connected converter, rectifier unit or rectifier/regenerative feedback unit. 3) Radio interference suppression filter

A radio interference suppression filter is required whenever the radio interference voltages originating from converters or rectifier units must be reduced according to EN 61800-3. 4) Line commutating reactor

The line commutating reactor limits current peaks and reduces harmonics. It is also required, among other things, for compliance with the permissible system perturbations according to EN 50178 and compliance with the radio interference suppression voltages. 5) Control terminal strip X9

The X9 1/2 control terminals are provided with a connection for supplying devices requiring an external 24 V DC control voltage. Terminals X9 7/9 on the compact units (inverters) and X9 4/5 on the chassis units (converter and inverter) allow the output of an isolated digital signal, e.g. to control a main contactor. Function \"SAFE STOP\" on compact inverters and input units (converters and inverters) with option K80 With the \"SAFE STOP\" function, a safety relay can be used to interrupt the power supply for pulse transmission in the power section. This ensures that the inverter cannot operate the connected motor. 6) Fan power supply for inverter devices

On all chassis and compact units of type D, a supply voltage of 230 V AC 50/60 Hz is required for the fans. The chassis units are connected via X18:1.5 and the compact units are connected directly to fan fuses F101 and F102. 7) 24 V auxiliary power supply

The external 24 V power supply serves to back up the communications and diagnostics functions of the connected devices when the line voltage is switched off. Rectifier units always require an external 24 V power supply. The following criteria apply to dimensioning: ♦ Currents (see Catalog DA65.10)

♦ When the 24 V supply is switched in; an inrush current has to be dealt with by the power supply.

♦ there is no need to install a stabilized power supply; the voltage range must be kept between

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20 V and 30 V.

8) X300 serial interfaces

The serial interface is used for connecting the OP1S operator pane or a PC. It can be operated according to the RS232 or the RS485 protocol, as desired. 9) Output reactors

Limit the capacitive currents arising from long motor cables and make it possible to operate motors situated a long way from the converter/inverter. 10) Sine wave filter du/dt-Filter

Limit the rate of voltage rise occurring at the motor terminals and the voltage peak (du/dt-Filter) or generate a sinusoidal voltage characteristic (sine wave filter) at the motor terminals

11) Output contactor

An output contactor serves a useful purpose wherever, with charged DC link, a motor has to be electrically isolated from the convert/rectifier unit. 12) Pulse generator

Used to acquire the motor speed and allows speed-controlled operation with the highest degree of dynamic response and precision. 13) Motor fan

Is to be operated in the case of separately ventilated motors. 14) Freewheeling diode

For protection of the connected inverters against commutation failure. 15) Fuse

To protect the signal cables of a phase failure relay. 16) Voltage transformer

If the supply voltage deviates from 400 V, voltage transformers with a primary voltage corresponding to supply voltage U1 and U2 = 400 V on the secondary side must be used. The voltage transformers should correspond to class 0.5 or 1; size 3 VA \"Safe STOP\" functions

The SAFE STOP function is supplied as standard with SIMOVERT MASTERDRIVES

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of the compact series of inverter units in sizes A to D (with the exception of converters and inverters for 270 V DC to 310 V DC). In the case of chassis units and Compact PLUS units, this function is obtainable in the form of the K80 option. The \"SAFE STOP\" function prevents unexpected starting from standstill of the connected motor. The \"SAFE STOP\" function should not be activated until after the drive is at standstill, because otherwise no further braking is possible. That is why the drive must be brought to standstill and secured by means of an external machine control. The \"SAFE STOP\" function interrupts the power supply used to drive the IGBT modules. The \"SAFE STOP\" function does not electrically isolate the equipment and therefore gives not protection from \"electric shock\". The whole machine must be isolated from the supply system by opening the main switch (EN 60204/5.3) in the event of production shutdowns or for maintenance, repair and cleaning work on the machine or plant.

Operating principle of \"SAFE STOP\"

The power supply to the individual motor windings is controlled by means of the inverter power sections. A pulse formation logic drives the 6 IGBT power transistors in a rotating-field-oriented pattern. In each transistor arm, an opt coupler/fiber optic cable is connected between the control logic and the control amplifier of the power section for potential isolation. As it cannot be ruled out that the inverter electronics will generate a pulse pattern capable of producing a rotating field (without a start command being present), a method was found of safely preventing the pulse pattern from reaching the ignition and control inputs of the IGBTs. The \"SAFE STOP\" ACTIVE function implements an electrical separation (interrupt) between the power supply and the driver electronics of the IGBT inverter, thereby preventing the motor from turning. The \"SAFE STOP\" function is activated by an external NO contact and is active when the \"SAFE STOP relay\" has dropped out. In the event of failure of the \"SAFE STOP\" function, the \"SAFE STOP\" check back contacts must separate the drive from the power supply by means of a line contactor or the EMERGENCY STOP circuit. No rotating-field-oriented operation of the power transistors is possible while the \"SAFE STOP\" function is active. Simultaneous welding of two IGBTs is the worst case leading to the residual risk described in the above.

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附录B

西门子6SE70变频器 配置和接线举例

单轴传动

如果仅需要完成单轴传动任务或如果通过几根轴做不到或不可能进行功率的均匀分配，则应使用单轴传动。为此目的，变频器通过外部主接触器，网侧滤波器，网侧电抗器(如果需要)直接接到三相电源上。任何再生的能量将存储在电容模块上或在制动电阻上衰减。

一直到 3根轴的多轴传动

在多轴传动的情况下，变频器(AC-AC)可以同逆变器(DC-AC)组合。 变频器将网侧电源电压整流并通过直流母线模块向逆变器供给直流电压。集成在变频器中的电源还可以供给最多2台逆变器的24V电子板电源。如果需连接超过 2台逆变器，则必须由外部供给 24V电子板电源。由一台变频器供电的逆变器总的额定输出电流应不超过供电的变频器的额定输出电流(在 6SE7021-0EP60情况下仅有额定输出电流的一半)。在一根轴上所产生的再生能量或用于其它电动机，或存储在电容器模块中或在制动电阻上衰减。 多轴传动

在超过3根轴的多轴传动情况下，几台逆变器连接到一台整流单元的直流母线上。 逆变器电子板需要外部24V电子板电源。 在一根轴上所产生的再生能量或用于其他电动机，或存储在电容器模块中或在制动电阻上衰减。 配置和接线举例 1)网侧接触器Q1

所有设备通过网侧接触器接到电网上，如果需要或发生故障，也用它同电网隔离。网侧接触器的大小取决于所连接的变频器或逆变器的额定功率。如果网侧接触器由变频器控制，则主接触器返回时间 P600应至少整定为120 ms。 2)网侧熔断器

根据它们的工作特性和需要，网侧熔断器可保护连接电缆和保护装置的输入整流器。 3) 网侧进线电抗器

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网侧进线电抗器电流尖峰，减小谐波和保持系统的扰动在 VDE 0160规定的限值以内是必须的。 4) 24V电源

外部24V电源用于维持已接电的装置在电源断电时的通讯和诊断。在选择设备时必须遵循下列准则：

♦ 对于整流单元须提供1A的电流，对连接的每台逆变器须提供2A电流。 ♦ 当 24V电源合闸时，出现的启动电流必须由电源控制。 ♦ 没必要安装稳压电源；电压必须保持在 20V和 30V之间。 5) ON/OFF

在单轴传动和没有整流单元的多轴传动时，用一个开关去接通或断开网侧接触器。当接触器断开时，传动系统为不可控停车，仅由负载自由制动。在具有一个整流单元的多轴传动时，用一只按钮去接通网侧接触器。只要检测到整流单元没有故障，则利用接至整流单元的故障信号继电器的连锁触点使网侧接触器保持吸合。 6) OFF开关

操作OFF开关，使网侧接触器立即释放。传动系统为不可控停车，仅由负载自由制动。 7) 故障信号继电器

如果在整流单元中发生故障,则通过信号继电器所连接的触点输出故障信息。当接好24V电源时，只要没有故障,继电器便吸合。当发生故障，网侧接触器的连锁打开,接触器释放,传动系统自由停车。 8) 内部 USS总线

USS总线用于装置内部的通讯，仅需要时才连接。 9) X101

按传动系统需要去安排数字量的输入/输出和模拟量的输入/输出。小心：端子 X101.1不能同外部 24V电源相接。 10) 整流单元的 X320接口

整流单元的X320接口仅用于永久性地同舒适型操作面板OP1S相连接和用于连接在线逆变器。

11) X103串行接口

串行接口用于连接舒适型操作面板 OP1S 或一台 PC。它可按 RS232 或RS485协议进

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行工作。

12) 预充电的电容器模块

当使用电容器模块，预充电电容器的端子必须连接。 13) 输出接触器

如果电动机必须同带有直流母线的变频器/逆变器进行电气上隔离时，则果断地采用输出接触器。 14) 网侧滤波器

如果需要降低变频器或整流单元所产生的无线电干扰电压时，则需安装一台网侧滤波器。

15) 电动机动力电缆

在目录中所介绍的西门子电缆可用于连接变频器和电动机。 16) 安全停车(选件)

“安全停车” 选件能用一个安全继电器去中断用于将脉冲送入功率部分的电源。这样确保装置不会在所连接的电动机上产生一个旋转磁场。 17) 辅助接触器

在出现故障信号时，用辅助接触器去中断主接触器的自保持条件。如果网侧接触器 Q1的控制电压为 230V AC，则必须使用辅助接触器。 18) 脉冲发生器

用于检测电机速度并提供具有最高级动态响应的速度控制。制动电阻 制动斩波器已包含在增强书本型整流单元和变频器中。如果需要，仅接入一个合适的外部制动电阻。 水冷装置

如果使用水冷的 MASTERDRIVES，请注意根据规格来确定允许的工作压力。 工作压力≤ 1bar。不允许工作压力超过 1bar！如果系统工作在较高压力，每个装置上的压力必须减至 1bar的初始压力。 工作压力≤ 2.5bar。不允许工作压力超过 2.5bar！如果系统工作在较高压力，每个装置上的压力必须减至 2.5bar的初始压力。 有关配置例子的解释 1)网侧熔断器

网侧熔断器起短路保护作用，而且取决于它们的工作级别它们也保护所连接的半导体器件和整流器或装置的输入整流器。

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2)网侧接触器 K1

通过网侧接触器，变频器或整流单元或整流/回馈单元连接到电源上，在需要时或故障情况下从电源断开。 3)无线电干扰抑制滤波器

由变频器或整流单元产生的无线电干扰电压，根据 EN 61800-3必须降低时，就需要使用无线电干扰抑制滤波器。 4)网侧进线电抗器

网侧进线电抗器电流尖峰并减小谐波。尤其是依照EN 50178的系统允许扰动和依照允许的无线电干扰抑制电压，则需要安装网侧进线电抗器。 5) 控制端子排 X9

X9 1/2控制端子排与需要外加一个 24V DC控制电压的电源装置相连接。在书本型装置(逆变器)的端子 X9 7/9和在装机装柜型(变频器和逆变器)的端子 X9 4/5能输出一个隔离的数字信号，例如去控制一台主接触器。 使用选件 K80的书本型逆变器和输入装置(变频器和逆变器)的功能“安全停车”。 利用“安全停车”功能，一个安全继电器用去中断输往功率部分脉冲的电源。这样确保逆变器不会驱动所连接的电机。 6) 逆变器装置的风扇电源

在所有装机装柜型装置和规格 D 的书本型装置，风扇需要连接一个230V AC 50/60Hz 电源。装机装柜型装置通过 X18:1，5而书本型装置直接接到风扇熔断器 F101和 F102上。

7) 24V辅助电源

当网侧电压中断时，外部 24V 电源用于支持被连接装置的通讯功能和诊断功能。整流单元始终需要一个外部 24V电源。 在选择设备时，必须遵守下列准则： ♦ 电流(参见样本 DA65.10)

♦ 接通 24V电源时，出现的启动电流必须由电源控制。 ♦ 没必要安装稳压电源；电压范围必须保持在20V和30V之间。 8) X300串行接口

串行接口用于连接OP1S操作面板或 PC机。根据 RS232或 RS485协议操作。 9) 输出电抗器

由较长的电机电缆产生的电容性电流并使位于离变频器/逆变器距离较远的电机能

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够运行。

10)正弦波滤波器 dv/dt 滤波器

在电机端子上产生的电压上升率和电压峰值(dv/dt-滤波器)或在电机端子上产生正弦波电压(正弦滤波器)。 11) 输出接触器

输出接触器用于充电中间回路时，电机必须与变频器/整流单元电气隔离。 12) 脉冲发生器

用于检测电机速度并提供具有最高级动态响应的速度控制 13) 电机风扇

在风冷的电机情况下使用。 14) 续流二极管

在换向失败时保护所连接的逆变器。 15) 熔断器

保护相故障继电器的信号电缆。相故障继电器必须按其结构类型接线。 16) 电压变换器

如果电源电压偏离 400V，则必须使用相应的原边电压为 U1，次边电压为U2 = 400V的电压变换器。电压变换器应为 0.5级或 1级；3VA。 “安全停车”功能

“安全停车”功能作为标准应用于 SIMOVERT MASTERDRIVES书本型逆变装置中，规格为 A ~ D (270V DC ~ 310V DC的变频器和逆变器例外)。作为选件 K80应用于装机装柜型和增强书本型装置中。 “安全停车”功能用以阻止电机从静止状态的不希望的启动。传动系统静止后才能激活“安全停车”功能。否则制动能力将失去。因此必须采用外部机械控制保证传动处于静止并卡紧。“安全停车”功能将IGBT模块的电源断电。“安全停车”功能没有与装置电位隔离，因此不能保护避免“电气冲击”。在生产中断或在机器、设备上进行维护，修理和清洁工作时，整台机器必须通过打开主开关(EN 60 204/5.3)与供电系统隔离。 “安全停车”的 工作原理

使用逆变器功率部分控制各个电机绕组的供电电源。 脉冲形成逻辑电路以定向旋转磁场的方式驱动 6个 IGBT功率晶体管。 在每个晶体管臂上，为了电位隔离，在功

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率部分的控制逻辑电路和控制放大器之间，连接一根光耦器件/光导纤维电缆。 由于逆变器的电子器件产生的旋转磁场的脉冲模式不能被消除(没有启动命令存在)，可采取一种安全方式阻止该脉冲模式对 IGBTs 的触发和控制输入。“安全停车”激活功能在电源和 IGBT逆变器传动电子器件之间起着电位隔离(中断)的作用，因此阻止了电机转动。“安全停车”功能通过一个外部的常开触点激活并且在 “安全停车继电器” 释放时起作用。 在 “安全停车”功能出现故障情况下，“安全停车”响应触点必须通过网侧接触器或急停电路把传动同电源断开。当“安全停车”功能被激活时，功率晶体管的无定向旋转磁场运行是可能的。两个IGBTs 同时焊接是最不利的情况将导致上述文中所描述的残余危险。