★西門(mén)子（中國）有限公司鄭磊，王佳

關(guān)鍵詞：光伏；切片機；力矩同步；S120

1　光伏行業(yè)概述

目前全球電力市場(chǎng)中，可再生電力占總發(fā)電量的約16.6%。光伏發(fā)電占全球總發(fā)電量的約2%。全球總發(fā)電量在2018年達到峰值后，逐漸趨于平穩。在2018年之后，化石資源發(fā)電的絕對數量開(kāi)始下降。光伏發(fā)電和風(fēng)電的絕對數量穩步上升。

平準化度電成本LCOE（Levelized Costof Energy）通常用來(lái)衡量光伏發(fā)電的整個(gè)項目周期的單位發(fā)電成本。LCOE由初始投資、運營(yíng)成本、產(chǎn)值收益、稅費、發(fā)電量等因素決定。相較于2010年的0.381美元/kWh，光伏平均LCOE已于2015年下降至火電平均LCOE波動(dòng)范圍（低于0.15美元/kWh），到2020年實(shí)現0.057美元/kWh的經(jīng)濟性?xún)?yōu)勢，過(guò)去十年降幅約85.0%，遠高于海上風(fēng)電48.1%和陸上風(fēng)電56.2%的降幅。相較全球，中國光伏度電成本較低，光伏發(fā)電性?xún)r(jià)比更優(yōu)，2022年已實(shí)現0.038美元/kWh。

太陽(yáng)能電池是光伏發(fā)電系統中最核心的器件。太陽(yáng)能電池是利用光電轉換原理，將太陽(yáng)的輻射光，通過(guò)半導體材質(zhì)轉變?yōu)殡娔艿囊环N器件。目前，技術(shù)最成熟，并最有商業(yè)價(jià)值的太陽(yáng)能電池是硅太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池板的制造過(guò)程，包括硅原材料、硅棒、硅片（晶圓）、玻璃、模組等的生產(chǎn)過(guò)程。

圖1 光伏電池制造流程

（1）多晶硅：光伏產(chǎn)業(yè)鏈的最上游，原材料。通過(guò)還原二氧化硅得到硅單質(zhì)，但含有較高雜質(zhì)；

（2）硅錠：包括多晶硅錠和單晶硅錠。由多晶硅經(jīng)過(guò)再次提純之后，通過(guò)直接鑄錠法（多晶硅錠）或者提拉法（單晶硅錠）獲得；

（3）硅片：包括多晶硅片、單晶硅片。顧名思義，就是通過(guò)金剛線(xiàn)或其他方法將硅錠切成形狀規則、厚度均一的薄片（目前行業(yè)常用在180-200微米）；

（4）電池片：硅片經(jīng)過(guò)清洗、制絨、擴散、減反射膜沉積、金屬電極絲網(wǎng)印刷等步驟之后，變成了可以在光照下產(chǎn)生電壓和電流的半導體器件，這時(shí)它就叫做太陽(yáng)能電池片；

（5）組件、太陽(yáng)能電池板：這兩個(gè)詞在許多語(yǔ)境里是可以等價(jià)互換的概念。把許多太陽(yáng)能電池片串聯(lián)或并聯(lián)在一起，并封裝在防水、防潮的材料中，裝上邊框、接線(xiàn)盒等，就產(chǎn)生了光伏制造產(chǎn)業(yè)的最終產(chǎn)品，太陽(yáng)能電池板或者叫太陽(yáng)能組件。目前的單個(gè)組件的輸出功率在250W到500W之間；

（6）太陽(yáng)能電站：把許多電池板按照發(fā)電需要，并聯(lián)或者串聯(lián)起來(lái)，通過(guò)逆變器將直流電變成交流電，或充電池，或直接輸送上電網(wǎng)，就得到了一個(gè)太陽(yáng)能電站；根據規?？梢苑譃榧矣茫?-10kW）、商用（10-100kW）和大型電站（1MW以上）。

2　西門(mén)子伺服驅動(dòng)解決方案

切片機用于上文中從硅錠到硅片的加工環(huán)節，用于把方形的硅錠切成硅片。西門(mén)子的S120伺服驅動(dòng)系統，通過(guò)可靠的性能，為硅片切割設備提供了保障，滿(mǎn)足了硅片大尺寸化和薄片化所需的控制要求。西門(mén)子應用于光伏切片機的SINAMICS S120系統，具備以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）高速力矩同步

通過(guò)將多根伺服主軸配置在同一個(gè)CU320控制單元內，可以達到電機間的高速力矩同步，速度達到0.125ms。

（2）主動(dòng)能量回饋

切片機線(xiàn)網(wǎng)在高速運轉下有巨大的動(dòng)能，在線(xiàn)網(wǎng)換向時(shí)，主動(dòng)型整流器，將制動(dòng)能量回饋到車(chē)間電網(wǎng)，以節省能量。

（3）直流母線(xiàn)電壓提升

S120驅動(dòng)器能夠對直流母線(xiàn)電壓在一定范圍內進(jìn)行調整。通過(guò)將母線(xiàn)電壓提升到700V，能夠增加母線(xiàn)電容存儲的能量，并且能夠使伺服電機產(chǎn)生更大的功率。

（4）豐富的電機產(chǎn)品

132軸高同步電機可達到額定功率79kW，最大功率140kW；

166軸高異步電機可達到額定功率100kW，最大功率180kW。

（5）CMS振動(dòng)檢測

切片機主軸和收放線(xiàn)軸工作在+5000到-5000的運行環(huán)境中，通過(guò)振動(dòng)檢測裝置，能夠提前發(fā)現電機、主軸箱、輥子等機構的問(wèn)題。通過(guò)預防性維護，防患于未然，降低加工廠(chǎng)家的損失。

3　切片機結構和電機選型

（1）切片機的結構

切片機通常由切割系統、切削供液系統、上下料系統組成。金剛線(xiàn)的直徑大約45μm，金剛線(xiàn)纏繞在主軸間，形成線(xiàn)網(wǎng)。線(xiàn)網(wǎng)通過(guò)往復摩擦的方式，將硅棒切割成硅片。硅棒的長(cháng)寬高分別為210mm×210mm×700mm。一根硅棒能夠切割成約2500片硅片。線(xiàn)網(wǎng)運行速度為40m/s，加速時(shí)間4~6秒。

圖2 切片機結構

· 主軸：目前常見(jiàn)為雙主軸或三主軸切片機，主軸電機功率在70~120kW之間。

· 放卷：有左右兩個(gè)線(xiàn)輪，在切割過(guò)程中一收一放。放卷轉速約4000轉，功率15kW。

· 張力軸：左右兩個(gè)張力擺桿，實(shí)現張力閉環(huán)控制。線(xiàn)張力4~15N，最大扭矩20Nm。

· 排線(xiàn)軸：伺服電機驅動(dòng)絲杠，實(shí)現左右排線(xiàn)，電機功率750W。

· 硅棒進(jìn)給軸：驅動(dòng)送料平臺，切割時(shí)按配方要求送料，電機功率750W。

（2）主軸電機選型

選型過(guò)程包含，定義主軸機械數據，描述運動(dòng)曲線(xiàn)，選擇電機等。其中，硅片切割過(guò)程的負載主要是摩擦力，因此比較準確的摩擦力數據有助于選型。選擇電機需要考慮電機的勵磁方式、冷卻方式、軸承類(lèi)型、額定轉速、扭矩常數、熱利用率、扭矩利用率等。

在40米/秒的切片機選型過(guò)程中，西門(mén)子有兩款1PH8電機可以選擇，同步水冷1PH8138和異步水冷1PH8166。該電機有更高轉速型號，可以匹配更高線(xiàn)速度的切片機。

4　電氣控制結構設計

某切片機的PLC選擇西門(mén)子1515SP-PC2控制器，觸摸屏選擇西門(mén)子精致面板TP1200。由于S120驅動(dòng)系統安裝在設備的左右兩個(gè)電柜中，因此兩部分的直流母線(xiàn)是獨立的。

圖3 控制系統結構

5　切片機控制難點(diǎn)

5.1　主軸1的控制方式

主軸1決定了切片機的主速度?？刂品绞娇梢赃x擇位置控制方式或者速度控制方式。位置控制方式時(shí)，主軸1與虛擬主軸采用GEAR_IN命令進(jìn)行位置同步。該指令執行后，位置環(huán)被激活。速度控制方式時(shí)，主軸1使用Move_velocity指令，通過(guò)刷新設定速度，來(lái)執行速度同步。從切片機的需求角度來(lái)看，速度控制方式由于沒(méi)有開(kāi)啟位置環(huán)，速度波動(dòng)更低，有利于避免出現速度、扭矩的震蕩。

圖4 主軸1的控制方式

5.2　主軸2的控制方式

主軸2的控制方式分為速度控制和力矩同步兩種。

（1）兩個(gè)主軸未建立剛性連接時(shí)，例如繞線(xiàn)過(guò)程中，主軸2使用速度控制方式。

（2）兩個(gè)主軸已經(jīng)建立剛性連接，線(xiàn)網(wǎng)左右兩邊都進(jìn)入“聯(lián)動(dòng)”狀態(tài)，主軸2使用扭矩同步方式。

（3）扭矩模式切換回速度方式的兩種條件，一是線(xiàn)網(wǎng)斷線(xiàn)檢測開(kāi)關(guān)，檢測到線(xiàn)網(wǎng)斷線(xiàn)，二是主軸1和主軸2之間的速度差大于100RPM，也說(shuō)明線(xiàn)網(wǎng)斷線(xiàn)。

圖5 主軸2控制方式

速度方式的控制回路：主軸2在速度方式下，主軸1和主軸2的速度環(huán)都在工作，兩個(gè)主軸是并列關(guān)系。

圖6 主軸2速度控制方式

扭矩方式的控制回路：主軸2在扭矩方式下，主軸2的速度環(huán)沒(méi)有啟用。主軸2的扭矩設定值，來(lái)自主軸1的扭矩設定值r79^[1]。主軸2扭矩的比例由PLC擴展報文的形式，發(fā)送給驅動(dòng)。依賴(lài)于S120高速的內部通訊，扭矩設定值的刷新速度能夠達到0.125ms。

圖7 主軸2扭矩控制方式

速度控制、扭矩控制切換，驅動(dòng)側設置如下：

（1）采用控制字STW1.14位激活直接扭矩控制激活扭矩控制之后，速度環(huán)自動(dòng)關(guān)閉。

（2）從軸附加扭矩1，連接主軸的扭矩設定值r79[1]，濾波后的設定扭矩。

（3）主軸2相對于主軸1的扭矩系數，由PLC通過(guò)擴展報文傳送，16#4000對應100%。

圖8 速度控制、扭矩控制切換，驅動(dòng)側設置

速度控制、扭矩控制切換，PLC側設置如下：

（1）對于工藝對象，使用SET_AXIS_STW指令來(lái)修改控制字。

（2）扭矩生效的狀態(tài)字，在默認變量表的ZSW1.14中“Torque control active”。

5.3　收卷和主軸的速度同步性

切片機的主軸、收放線(xiàn)軸都運行在高線(xiàn)速度下，需要各電機保持高精度的速度同步。收卷使用Enable Interface功能來(lái)發(fā)送速度，使用軸倍率處理。主軸1使用MC_move命令。由于倍率的執行速度比MC_move快，收放卷速度比主軸速度快2個(gè)位置環(huán)周期。通過(guò)設置主虛軸FollowingAxisDependentTime=4ms，則ExtrapolatedVelocity和SetVelocity一致。消除了主軸速度的滯后。

圖9 經(jīng)過(guò)外推后的主軸速度

5.4　斷電停車(chē)

（1）斷電停車(chē)的原理硅棒切割的時(shí)間長(cháng)，每根硅棒的價(jià)值高。因此切片機需要具備當工廠(chǎng)或車(chē)間斷電時(shí)，線(xiàn)網(wǎng)能夠不斷線(xiàn)停止的功能。DC24V UPS提供設備所需的控制電源。驅動(dòng)電源由電機制動(dòng)的能量產(chǎn)生。當驅動(dòng)器檢測到直流母線(xiàn)電壓低于判斷閾值時(shí)，觸發(fā)斷電停機程序。主軸在停止時(shí)采用MC_STOP命令，不考慮加速度。

（2）直流母線(xiàn)器件的選擇直流母線(xiàn)組件的構成，包括制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻（峰值100kW）、外部電容。

·ALM能夠直接連接的電容最大為20mf。ALM和電機模塊總共6mf電容?？梢栽僭黾?2mf的電容。

·選用耐壓450V的電容，先串聯(lián)后并聯(lián)。并增加均壓電阻和熔斷器。

·根據電機的運行功率45kW估算動(dòng)能，通過(guò)電容儲能功能計算電容壓降過(guò)程的能量。電容可以使用28ms。這段時(shí)間可以提高停機過(guò)程的安全系數，保證設備不斷線(xiàn)。

表1 電容儲能計算

（3）停機加速度的控制方法當主軸電機使用同步電機時(shí)，可以設計一個(gè)電壓PID控制器。使用直流母線(xiàn)電壓作為PID的反饋值，PID設定值是直流母線(xiàn)電壓。同步電機的扭矩比較準確，可以在進(jìn)線(xiàn)電源斷開(kāi)的情況下，將電壓調節得很平穩，波動(dòng)小于10V。

當主軸電機使用異步電機時(shí)，不宜使用電壓PID控制器。因為異步電機的扭矩隨直流母線(xiàn)電壓而波動(dòng)。而扭矩波動(dòng)又會(huì )導致直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)。形成正反饋，導致系統不穩定。因此我們選擇一種簡(jiǎn)單的策略，使用固定減速度，12~15m/s，保證制動(dòng)能量能夠補充直流母線(xiàn)的消耗。此時(shí)母線(xiàn)電壓達到750V，制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻開(kāi)始工作。因為電壓能夠穩定在750V，電機的輸出扭矩比較平穩。

6　總結

西門(mén)子S7-1500 PLC和SINAMICS S120伺服驅動(dòng)器的可靠性獲得市場(chǎng)認可，成熟的控制方案保障了設備穩定運行。同時(shí)，面向未來(lái)更高速的45m/s和50m/s切片機，西門(mén)子也推出了轉速和功率更高的新款伺服電機，提出了具備競爭力的解決方案。

摘自《自動(dòng)化博覽》2023年6月刊