01驱动器选型
自从SINAMICS产品问世以来,西门子传动的主要产品,无外乎如下三种系列形式:
第一种,V简单型系列。以V20、V50、V70、V90等为代表;
第二种,G通用型系列。以G120及G120加后缀等为代表;
第三种,S高性能系列。以S120、S210等为代表。
V系列传动虽然价格便宜,但它功能相对过于简化,所以在我们所在的行业里用不上。一直没有使用过该系列。SINAMICS G系列和S系列是我们主要使用的产品系列。
在驱动器选型上的考虑,作为企业,盈利是必须的。所以,选择西门子传动的驱动产品,我们的考量和原则那就是:
第一, 性价比作为选型原则bukehuoque;
第二, 产品定位,不同的系列对应不同层次的应用;
第三, 作为可靠性和耐久性考虑,坚持300kW以下的传动系统,功率单元选型不允许过载应用,电机可以过载应用。
先说第一点,性价比作为选型原则的最主要条件之一。所谓性价比优先,就是在同等功率等级和功能条件下,哪个型号便宜,就选择哪个型号。
比如,风机泵类变转矩应用场合,G120和G120C作比较,功能都能满足使用要求,两者都具备SLVC矢量控制,都具备相同的自由功能块,都具备模拟量和开关量够用的端口,都具备PID工艺调节器,而价格上G120C便宜,我们就选择G120C。
第二点,产品定位考量。既然西门子传动的产品有G系列和S系列的不同产品定位,那么我们作为系统集成制造,也可以顺势而为,利用G系列和S系列的不同定位,量身定制自己的系统集成,作为不同用户的产品制式。比如,在内燃机动力测试技术行业,我们为生产厂家的车间级和出厂检验级的测功机系统,基本提供由G系列驱动器组成的控制系统;针对检测中心实验室,大专院校,外企等高端用户,提供S系列驱动器组成的控制系统。这样既满足不同用户的使用需求,也适应不同用户对控制系统成本的接受能力。
第三点,驱动器选型不过载。西门子传动的产品样本,同一型号有重载型和轻载型两个功率应用指标,我们根据自己的应用场合,变转矩负载都按轻载型功率选择,恒转矩负载都按重载型功率选择。这是第一个选型规则。第二个选型规则,电机可以过载应用,装置不允许过载应用。比如,一个15kW的电机传动控制系统,要求过载1.5倍。那么我们考虑15kW电机可以选择过载使用,驱动器要选择22kW轻载型甚至重载型。这主要是考虑动力台架性能试验系统的工作状态,往往是连续的满负荷工作。如果驱动器的过载周期超过了它所规定的范围,热积累会导致驱动器寿命衰减。无法保证系统的连续可靠性运行。内燃机动力耐久试验,国标规定400小时不停机,油门全开连续运行。这种实验,往往用户会戏称,这是耐久考核我们的产品?还是考核你们的测试设备?所以,驱动器不过载,甚至电机不过载的选型原则,是我们的一个行业特殊性需求。由此,我们的设备基本是能保证其生命周期的。
综上,驱动器选型,看似简单,实则有学问。选大了浪费,选小了不够用,或寿命短。所以,每一个系统选型,设计者都会有自己的一套选型原则。我们主要就是本着花最少的钱,满足使用需求。同时兼顾高端用户,还要兼顾设备的持久性和可靠性。在此三者之间找平衡点。
关于电机选型。应该是一个技术活。电机是传动系统的功率执行器件。如何选型?首先要知道电机的基本特性,同时也要知道电机将要驱动负载的机械特性。这叫知己知彼,百战不殆。电机选型如果不能与负载特性适配,要么就是选大了浪费,达不到zuijia工作效率;要么就是选小了,根本不能使用。要靠事后的项目整改方案进行修正。浪费人力物力并加大项目成本。
电机的基本特性:
第一, 电机既可以正转向电动或者发电运行;也可以反转向电动发电运行。这叫电机具备的四象限运行特性;
第二, 用变频器控制的电机传动系统,在额定转速以内,具有额定转矩以内的恒转矩特性;在超过额定转速至最高转速范围具有额定功率以内的恒功率特性;
第三, 交流异步电机的变频器控制系统,在转速为0至连续额定转矩输出最小转速之间,有一个从0至额定转矩输出的过渡,比如说10%额定转速以内。这个区间,电机不能100%做连续的发力。使用中要尽量避免在这个区间做连续的额定转矩运行。
负载的基本特性:
与电机的特性一样,负载也会有一个对应转速范围的扭矩(或者力)的特性曲线,同样也可以转化成转速范围以内的功率特性曲线。作为传动系统电机的选型设计者,在选型之前,必须要搞清楚目标负载的基本特性。绘制出负载的转速/转矩曲线,或者转速/功率曲线。然后根据负载特性,选择合适的电机即可。
下面给出一个标准的电机转速/转矩和转速/功率曲线。如图示:
由图示可知,我们电机选型,只要把电机的转速/转矩曲线覆盖负载曲线,且它们的边界不要太宽,就是合适适配的选择。
道理同上,如果我们把负载的功率特性曲线置于电机的功率曲线以内,且完全被电机的功率曲线所覆盖。电机选型就是适配的。假如,负载曲线如果超越了电机的转矩特性曲线范围,或功率曲线范围,那么超过的部分,电机对负载的控制无能为力。
手上刚好有一个螺旋桨负载特性对驱动电机选型的例子,来说明一下电机选型的方法。
如下图示:
由图示可知,螺旋桨负载的功率曲线和推力曲线均在3000rpm至7500rpm范围以内。针对两极异步交流电机,这个转速范围是恒功率范围。其功率上限小于22kW。因此,选择电机为:
交流异步电机:额定功率22kW;
转速:0-3000rpm恒转矩输出;3000rpm至9000rpm恒功率输出。
控制系统:G120_22kW重载型。
综上所述,电机选型,根据负载特性曲线对应电机特性曲线的图解法,即可准确无误的选择电机适配负载特性。确保选型合理性。
说明,本文的选型方法是基于100%负载驱动能力且连续运行工作状态。没有考虑有关电机工作制和电机过载情况。如果考虑工作制的过载状态,可以参考此方法,原理是相同的,仅仅是工作周期与过载的关系适配问题。下面再附一个西门子传动的电机特性曲线图,这里基本更全面的展示了电机的过载特性,包括电机的极限数据。在此图内可一目了然。
只要电压与频率成比例地调整,电压和频率之间的比率就保持恒定,因此电机的磁通量、可用转矩和堵转转矩也保持不变。这被称为恒定通量范围或基本速度范围。
如果在达到变频器的最大可能输出电压后进一步提高频率,电压与频率之比将再次降低,因此电机中的磁通量也会降低,这被称为弱磁范围。对于在弱磁范围内运行的异步电机,可用转矩M 相对于额定转矩 Mrated 的降低大约与 frated/f的比率成正比,输出功率保持恒定。弱磁范围中的Mk-reduced堵转转矩相对于恒定磁通范围内的堵转转矩Mk与比率(frated/f)2 成正比。
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