交流通用變頻器共直流母線的設(shè)計與應(yīng)用分析
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【摘 要 】
在工業(yè)電氣傳動中，由于工藝和驅(qū)動設(shè)備的各種原因，再生能量的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，在能量回收系統(tǒng)中有著各種方法，本文提出了一種通用變頻器在大型生產(chǎn)線中共直流母線方案，并闡述了其在離心機(jī)、化纖設(shè)備、造紙機(jī)上的進(jìn)一步應(yīng)用。
1 前言
在同一個電力拖動系統(tǒng)中的一個或多個傳動有時會發(fā)生從電機(jī)端發(fā)電得到的能量反饋到傳動的變頻器中來，這種現(xiàn)象叫“再生能量”。這種情況一般發(fā)生在電機(jī)被拖著走的時候（也就是被一個遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)定值的速度拖動的時候），或者是當(dāng)傳動電機(jī)發(fā)生制動以提供足夠的張力的時候（如放卷系統(tǒng)中的傳動電機(jī)）。
傳統(tǒng)意義上的PWM變頻器并沒有設(shè)計使再生能量反饋到三相電源的功能，因此所有變頻器從電機(jī)吸收的能量都會保存在電解電容中，最終導(dǎo)致變頻器中的母線電壓升高。如果變頻器配備制動單元和制動電阻，變頻器就可以通過短時間接通電阻，使電能以熱方式消耗掉。當(dāng)然只要充分考慮到制動時最大的電流容量、負(fù)載周期和消耗到制動電阻上的額定功率就可以來設(shè)計合適的制動單元，并以連續(xù)的方式消耗電能，最終能夠保持母線電壓的平衡。這種制動單元的工作方式其實就是消耗能量的一種。
如果有多個傳動變頻器通過直流母線互連的話，一個或多個電機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電機(jī)以電動的方式消耗吸收了。這是一種非常有效的工作方式，即使有多個部位的電機(jī)一直處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài)，也不用再去考慮其他的處理再生能量的方式。在這種方式下，如果還需要一個更快剎車或緊急停止的狀態(tài)的話，那就需要再加上一個一定容量的制動單元和制動電阻以便在非常時刻起作用，當(dāng)然采用能量回饋裝置就可以充分地將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來。
2通用變頻器共用直流母線的方案
對于通用變頻器而言，采用共用直流母線很重要的一點就是在上電時必須充分考慮到變頻器的控制、傳動故障、負(fù)載特性和輸入主回路保護(hù)等。圖一所示為在其中一種應(yīng)用比較廣泛的方案。該方案包括3相進(jìn)線（保持同一相位）、直流母線、通用變頻器組、公共制動單元或能量回饋裝置和一些附屬元件。
圖一通用變頻器共直流母線方案
該方案有以下特點：（1）使用一個完整的變頻器，而不是單純使用傳統(tǒng)意義上的整流橋加多個逆變器方案；（2）不需要有分離的整流橋、充電單元、電容組和逆變器；（3）每一個變頻器都可以單獨從直流母線中分離出來而不影響其他系統(tǒng)；（4）通過連鎖接觸器來控制變頻器的DC到共用母線的聯(lián)絡(luò)；（5）快熔來保護(hù)掛在直流母線上的變頻器的電容單元；（6）所有掛在母線上的變頻器必須使用同一個三相電源。
在圖一中，QF是每個變頻器的進(jìn)線保護(hù)裝置，它應(yīng)該采用帶輔助觸點的空氣開關(guān)，這主要是因為直流接觸器MC的接通必須同時滿足QF的輔助觸點閉合和變頻器運行狀態(tài)正常這兩個條件，否則MC就斷開。
LR為進(jìn)線電抗器，由于實際工作現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境往往會導(dǎo)致電網(wǎng)的波動并產(chǎn)生高次諧波，使用進(jìn)線電抗器就能有效地避免這些因素對變頻器的影響，也可用于增加電源阻抗并幫助吸收附近設(shè)備投入工作時產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰，從而最終保護(hù)變頻器的整流單元。LR的選型原則可選用與變頻器同功率的即可。
為確保變頻器上電后順利地掛上DC母線，或是在變頻器故障后快速地與DC母線斷開以進(jìn)一步縮小變頻器故障范圍，使用在該場合的變頻器必須要有信號24VDC或干觸點信號輸出，其輸出信號至少包括：（1）READY信號：該信號輸出有效則表示變頻器無故障，母線電壓正常，可以接受啟動命令；（2）FAULT信號：該信號輸出表示變頻器故障。
FU為半導(dǎo)體快速熔斷器，額定電壓通常可選700VDC，如Bussman的FWP系列或Gouldshawmut的A70P系列，額定電流必須考慮到驅(qū)動電機(jī)在電動或制動時的最大能量，一般情況下可以額定負(fù)載的125%電流即可。
MC為2P直流接觸器，如ABB的EHDB系列，額定電壓650VDC，其額定電流同樣須根據(jù)驅(qū)動電機(jī)制動時的最大電流來定，一般情況下可以選額定負(fù)載的120%電流。
3 共用直流母線的應(yīng)用
通用變頻器的共用直流母線方案目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域的很多機(jī)械設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，不僅整機(jī)（設(shè)備加電氣）故障率低，而且能最大程度地節(jié)能，更具有環(huán)保的意義。
3.1離心機(jī)
臥螺離心機(jī)用雙電機(jī)驅(qū)動（如圖二所示），與主動件相連的電機(jī)處于電動機(jī)工作狀態(tài)為主電機(jī)，與從動件相連的電機(jī)由于轉(zhuǎn)鼓差速的作用始終處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)的為副電機(jī)。該傳動方式早在60年代已應(yīng)用于實驗室，但這種傳動方式幾十年來沒有在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用，究其原因：關(guān)鍵在于副電機(jī)再生的電能在當(dāng)初的技術(shù)條件下不能合理利用。所以，在大多數(shù)情況下，臥螺離心機(jī)的副電機(jī)都被取消，而安裝了渦流制動器。
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,，近年來變頻器的性能價格比大大提高，母線共連的方案也日趨成熟，國內(nèi)有很多離心機(jī)廠家都在探索雙電機(jī)雙變頻器的驅(qū)動方案，目前南京綠洲機(jī)器廠、海申機(jī)械總廠等在臥螺離心機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用了雙變頻方案。在該方案中，主、副電機(jī)各用一臺普通變頻器驅(qū)，直流母線用適當(dāng)?shù)姆绞讲⒔樱^好的解決副電機(jī)持續(xù)發(fā)電的問題。它的應(yīng)用，在能源日益緊缺的今天，有著特別重要的意義。
圖二 共用直流母線方案在離心機(jī)上的應(yīng)用
3.2化纖后紡設(shè)備
化纖后紡設(shè)備通常包括四個主要的傳動電機(jī)，既一道、二道、三道牽伸和卷曲，它們需要同步運行。在同步時，一道牽伸M1和二道牽伸M2為保持一定牽伸比必須處于發(fā)電狀態(tài)，而三道牽伸M3和卷曲M4則處于電動狀態(tài)。由于M1和M2發(fā)電是由于3道牽伸的電動所引起的，該2臺電機(jī)所產(chǎn)生的回饋能量足以消耗到處于電動狀態(tài)下的M3和M4中，而不會引起直流回路母線電壓的升高，這樣通過圖三接線就可以基本上解決再生能量的制動問題，從而使系統(tǒng)始終處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。
圖三的接線中，能量傳遞的公式為：P0=P3 + P4 - P1 - P2。很顯然，母線共連方案將大大降低能量損耗。
圖三 共用直流母線方案在化纖設(shè)備上的應(yīng)用
化纖后紡設(shè)備采用共用直流母線的控制方式，具有以下顯著的特點：
a. 共用直流母線可以大大減少制動單元的重復(fù)配置，結(jié)構(gòu)簡單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。
b. 共用直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲能容量大；
c. 各電動機(jī)工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補(bǔ)，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)特性；
3.3造紙機(jī)
在紙機(jī)上要用到很多導(dǎo)紙輥傳動電機(jī)，由于導(dǎo)紙輥經(jīng)常會工作在制動狀態(tài)，這時就必須考慮到再生能量的問題，如果對于每個傳動配置一個制動單元或能量回饋裝置，就會造成系統(tǒng)復(fù)雜。如果采用母線共連的方式就可以統(tǒng)一將導(dǎo)紙輥上產(chǎn)生的能量進(jìn)行互補(bǔ)，并接入到單一的能量回饋裝置，如圖四所示。
圖四 共用直流母線方案在造紙機(jī)上的應(yīng)用
本系統(tǒng)具有以下特點：（1）共用的直流母線采用銅排連接；（2）各單機(jī)變頻器與共用直流母線通過連接模塊如MC和FU進(jìn)行聯(lián)絡(luò)；（3）再生能量回饋裝置采用德國Siemens直流調(diào)速的整流器6RA24系列；（4）通過整流器后的交流電再利用隔離變壓器與交流電網(wǎng)相連，采用6RA24系列整流器后，回饋的交流電為AC500V，必須采用500/400的隔離變壓器；（5）將控制整流器6RA24的系統(tǒng)融合到多電機(jī)傳動控制系統(tǒng)和過程控制PLC系統(tǒng)中去，這樣可以保證對整流器的實時投運監(jiān)控，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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