6ES7321-7BH01-0AB0性能参数
一、前言
随着电力电子技术的不断发展,变频调速技术日益成熟,通用变频器得到了迅速发展,各种品牌的变频器在自控领域的各行各业都得到了广泛的应用。但在一些有爆炸性气体和粉尘比较多的地方（煤矿\焦化厂\部分化工厂）变频器还没有得到充分的应用,究其原因主要是这些地方的变频器需要防爆,而这种变频器现在市场上还未见成熟产品。根据上述情况,我们山东风光电子有限公司与大屯煤电（集团）有限公司联合开发研制成功了矿用防爆变频器,该产品已经过有关部门鉴定,现已在大屯煤矿正式投产使用.
二、变频器的技术要求
1、工作环境 有爆炸性气体或粉尘较多的环境 （防爆）；
2、输入电压 交流660V±10% ；
3、调速范围 2—50HZ ；
4、保护功能 具有短路、过流、过压、欠压、超温、停电闭锁等功能；
5、工作方式 24小时连续工作制；
6、其他技术指标与通用变频器相同。
三、变频器的控制原理
1、主回路部分
变频器主回路包括空气断路器、三相整流器、滤波电容、IGBT逆变器
图1： 主回路电气原理框图
2、控制回路部分
变频器控制部分包括CPU控制器、IGBT驱动电路、电流检测电路、电压检测电路、保护电路、操作显示电路。其控制原理框图如下：
图2： 控制原理框图
3、变频器所用主要元件都是选用世界公司生产的产品，性能优良，质量可靠。
（1） 逆变器部分选用德国西门子公司的IGBT模块，该模块饱和压将低，母线电感小，开关频率高，结构简单，安装方便。
（2） CPU控制器选用美国Inbbb公司的87C196MC单片机，该芯片功能齐全，运算速度快，是一种高性能的CHMOS 16位单片机，它功耗小，除正常工作外还可以工作于2种节电方式：待机方式和掉电方式。它内部有一个波形发生器，可以输出2组互补的3相PWM信号，特别使用于电机控制系统。
（3） 驱动电路采用日本三菱公司的M57959L专用驱动模块，该模块驱动功率大，信号隔离强，集成化程度高，性能优良，使用方便。
四、防爆变频器研制中的问题和对策
1、防爆问题
由于该变频器所使用的环境有爆炸性气体或粉尘较多，这就要求变频器密封防爆，所以它的外壳不能用普通的壳体，必需用标准的防爆腔，把变频器所有的元件都装在防爆腔内。在防爆腔门上开一个观察窗，把显示部分装在上面，把启动、停止、调速控制装在防爆腔门上。
2、散热问题
由于变频器的所有元件都装在防爆腔内，空气不能流动，散热问题成为该变频器所要解决的关键问题。在这里我们采用了一种新的散热技术-热管散热技术。
（1）热管技术原理
热管是一种具有极高导热性能的传热元件，它通过在全封闭真空管内工质的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点。由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。
（2）变频器结构布置
我们将主回路设计成一个大单元，安装在长方形防爆腔内后壁，后壁上通过一个过度散热器与IGBT模块、整流模块等发热元件接合，防爆外壳外壁加焊槽形散热器，过度散热器与槽形散热器通过热管相连接。变频器内部产生的热量就通过防爆腔后壁 过度散热器 热管 槽形散热器散发出去。
3、主回路结构与通用变频器的不同
（1）没有延时回路
避免因延时继电器动作时产生电火花造成的不安全因素，增加了变频器的安全可靠性。
（2）整流器容量选择比通用变频器增大一倍
目的是为了耐受住变频器开机瞬间电容充电电流的冲击。
（3）滤波电容选用多只无感电容并联
电解电容体积大，高温环境下易爆炸，不安全；而无感电容体积小，耐高温、高压，在这种环境下应用非常安全。
PPI扩展模块简介：
做项目经常会遇到200PLC的PPI口不够用的情况，大连德嘉推出的PPI扩展模块，可以扩展出一个PPI口（只有PPI协议），使用时软硬件无需做任何改动，即插即用！
PPI扩展模块的PPI口地址是2 （是固定不变的）
PPI扩展模块的PPI口的协议是与S7-200PLC出厂缺省设置一样,都是PPI从站模式(即点到点接口协议)。
可以连接西门子smart700/1000触摸屏,也可以连接昆仑通态，步科，威伦等众多国内品牌触摸屏，还可以连接西门子USB-PPI，RS232-PPI编程电缆进行在线编程(上传/下载)或实时监控。
PPI扩展模块的PPI口的波特率为187.5K，19200，9600。
注：该设置是由模块下边的端子短接来完成的。设置好波特率之后需要重新上电，上电自检9秒之后才会进入工作状态
（1）、如果不短接(即不做任何设置) 波特率为187.5K。
（2）、将左下排第二端子与左下排第三端子用导线短接,波特率为9600。
（3）、将左下排第二端子与左下排第四端子用导线短接,波特率为19200。
PPI扩展模块需要外接24V供电:上排右起第2个端子接24V正,上排右起第3个端子接24V地。
二、以太网模块CP243u简介
S7-200以太网模块CP243u，该模块支持以下功能：
1）连接 WinCC 不需要用 OPC，可以直接连接，增强通讯稳定性。
2）可以利用西门子 Prodave 和 VB 开发自己的 S7-200 用上位软件。
3）可以同时连接 4 台上位机。
4）拥有 2 个通讯通道，可以实现 S7-200 与 S7-1200、S7-300、S7-200 Smart 等 PLC 的通讯功能。
5）通过西门子 S7-200 的 PPI 编程口与 PLC 连接，不占用模块位置。
三、实际解决方案
下面是PPI扩展模块和以太网模块CP243u实际硬件连接图，可以在实际工程项目中被充分利用。
这里的PPI扩展模块增加个PPI口被用作编程上下载程序来使用，它还可以连接触摸屏，可以根据实际要求，按照方案设计采取不同的方式来连接。
此方案可以在大型的PLC组网中被采用，另外S7-300以太网模块具有与PLC通讯功能的，型号为ETH-MPI(smartIE)，连接在300的MPI口上，可以与s7-200/1200/300PN/200 smart等PLC通讯，还能够连接SIMATIC精彩系列面板（SMART LINE），功能十分强大。
一、引言
用现代高新技术改造现有的油田采油设备是大势所趋。用现代自控技术和变频调速技术来为油田潜油电泵（以下简称潜泵）提供理想电源是这种技术改造过程中的一个重要组成部分。潜油电泵的电压等级多为1140V和2300V。潜泵按放在地平面以下1000～3000米处，工作环境极度恶劣（高温、强腐蚀等），传统的供电方式—全压、工频使它故障频繁，运行成本大增。潜泵损坏后提到地面上来修理，仅工程费一项就达5万元，价值10万元的电缆平均提上放下5次就须更换，潜泵平均每10个月就须维修一次，维修费用约8万元。传统供电方式危害甚多。
例如：
＊ 潜泵全速运转，当井下液量不富余时，容易抽空，甚至造成死井，一旦死井，则损失惨重。
＊ 全压、工频工作启动电流大，冲击扭矩大，不但浪费了电，还对电机寿命有很大影响。
＊ 油田供电电压常有波动，使电机欠激励或过激励，电机被烧时有发生。
＊ 几千米的井下电缆带来了150V左右的线路损耗，由于这部分损耗无法补偿，从而影响了电机的正常工作。
由上可看出，潜泵的传统供电方式必须改造，比较理想的供电设备应具备如下特性：
＊ 软启动
＊ 调速方便，即变频运行。启动时间和运行速度能根据工况任意设置。
＊ 不受供电电压波动的影响，并能补偿电缆的线路损耗。
＊ 电缆上传输的必须是正弦波，否则经电缆反射，电压脉冲叠加，容易烧毁电机。
＊ 各种保护功能齐全。
＊ 控制方便、操作简单、显示清楚。
显而易见，满足这些要求非变频器莫属，但市场上容易买到的为风机、水泵服务的那些变频器不适合，因为电压等级不符、输出波形不是正弦、电缆的损耗电压无法补偿。我公司受油田委托成功地研制出了1140V、30～100KW潜泵专用变频器系列。现在又承担了2300V潜油电泵专用变频器的研制任务。
二、专用变频器的研制
潜泵虽有不同的电压等级，但在线运行的多为1140V和2300V。业内有用380V级变频器配合特制升压变压器的报导，本文认为这种高一低一高方案有先天不足，让升、降压变压器工作在低频下是很困难的，变压器的加入又增加了产品成本,现在的IGBT器件的耐压已经较高,3000V以下的变频器没有必要求助于变压器,本公司1140V潜油电泵已在几个油田正常运转,效果很好。本文主要介绍2300V潜油电泵专用变频器的性能和研制情况。
该变频器的技术指标为：
三相输入：2300V、50Hz
三相输出：额定电压为2300V，容量110kW
频率范围：2HZ～50HZ连续可调
电缆上的电压损耗能够得到合适补偿。
输出波形：正弦
控制功能、保护功能同于普通变频器。
本文仅对该变频系统的技术特点简述如下：（与380V级通用变频器相同部分不再赘述）。
1、主电路与功率器件的选择
在PWM电压型380V级变频器中，一般采用两电平电路。若用两电平电路实现2300V的输出势必要用昂贵的高压管，为了降低对功率器件的耐压要求和降低输出电压的谐波成分，本设计采用三电平电路。主电路原理图如图1．所示
图1．整机主电路原理图
其中主电路部分采用三电平电路或称中心点钳位（NeturalPointClamped—Npc）方式,它不但能输出较高电压，而且能降低输出谐波和电压变化率（dv/dt），良好的波形正是本设计的目标之一。图中的功率开关器件选用西门子的双单元IGBT模块（1700V、200A），整流后由两组大电容器相串联组成滤波器，两组电容器的连接点即本电路的中心点（三电平的中间电平）。用三电平电路结构、3300V的IGBT模块正好可以实现2.3KV的逆变输出，但我们熟悉的供应商3300V的IGBT模块无现货，只可预定，因为任务紧，只好用1700V的双单元模块串联当一个单元来用了，这样成本还会低些，正好借此机会研究一下器件串联的动态均压问题，图1．中的IGBT符号是双单元串联的简化表示。IGBT功率器件的直接串联主要解决均压问题，稳态均压比较容易，相串的两支管子是同一模块内的器件，制造工艺和环境温度都基本相同，因而不必采取过多的措施，应把主要精力放在动态均压上。经过实验筛选，本设计采用的均压电路如图2.所示
图2.均压电路
均压电路由电阻R1、R2、电容C、二极管D组成。电阻R1起到静态均压的作用，R2、C、D与普通的缓冲电路形式相同，这里主要目的是起动态均压的作用。
均压过程主要是由电容C完成的。串联两只IGBT，开关速度不会完全一致，而会稍有差别。电容C上的电压在静态情况下数值相同，在开关过程中，由于电容上的电压不能突变，强迫两只IGBT上的压降不会发生跳变。
由于开关过程中两只IGBT中电流不一致所造成的影响由电容C的充放电补偿。
由动态均压的过程可知，两只IGBT开关性能一致性越好，均压效果越好；电容C数值越大，均压效果越好。但过大的C值，将使R2上的功耗过大。 P=1/2CV2f, V为单只IGBT上的跳变电压，为限制R2上的功耗，应取尽可能小的电容C值及采取较低的调制频率f。
2、载波频率的选择
提高载波频率对改善波形、降低噪声大有好处，可是载波频率提高，会使开关损耗增加，所以选择时必须权衡利弊，本设备中载波频率选为3.4KHZ，选择这个值时考虑到了输出端LC低通滤波器电感铁芯的重量因素。
3、对输入电压的稳定
输入电压经整流、滤波后得直流母线电压，以Uo表示，在此装有一个电压传感器，其输出电压Ut正比于母线电压Uo ，将Ut值送单片机处理，令Uo的额定值对应的Ut值为1，电网电压向上波动时，Ut>1，电网电压向下波动时Ut<1，CPU在计算PWM波的脉宽时要乘上因子1/Ut 。这样就达到了稳定输入电压的目的。设备在油田的实际运行中，当电网侧电压波动+10%时，电机侧测不到电压的波动，说明Ut 补偿效果明显。
4、输出端正弦波的获取
电压型变频器输出的是三相SPWM波，即宽度按正弦规律分布的矩形脉冲波。这种波直接送给电动机，由于电机是感性负载，所以能获得近似的正弦驱动电流。从变频器到潜油电泵存在有几千米的电缆线，若把PWM波直接加在电缆输入端，由于长线效应电机侧会受到数倍于额定值的尖峰电压的冲击，电机很可能被烧坏。因此三相低通LC滤波器是必要的，滤波器电路如图3.所示,在本设计中其截止频率约为载波频率的1/3。
图3.输出低通滤波器
5、电缆损耗的补偿
潜泵对V/F曲线并无特殊要求，频率降到30HZ以下已经不出油了，为了实现软启动，本设备把启动频率设在2HZ，50HZ对应2300V的额定输出，电缆补偿电压Vb根据每口油井的具体情况调整。V/F曲线见图4.。
Vb的大小决定了电机启动性能的好坏,Vb大了,会使启动电流太大.引起损耗的增加,Vb过小,则起不来。Vb由小逐渐增大，输出电流也必然发生相应的变化，当电机开始运转的时刻，电流会有明显的不同。根据这个思路我们编写了一个软件，称其为补偿电压自适应程序。如果软件很成功，每次启动就不必手工调整了，目前软件还有待进一步的完善、优化，所以这次研制的样机仍保留着手工调整的电位器。
图4.V/F 曲线
三、运行情况
2300V潜泵专用变频器已经研制成功，各项技术指标均满足设计值，带额定负荷运行良好。串联管的稳态均压不平衡度在10%以内，动态均压不平衡度在用示波器上看在15%之内。经过输出滤波器后的电压在潜泵的整个转数范围内任意调变，其波形均为正弦波（失真甚小），电机就是在低速、轻载时，运行也很平稳、均匀，无任何脉动现象，电机在整个频率范围内调速灵活方便。