交流通用變頻器共直流母線(xiàn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析
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【摘 要 】
在工業(yè)電氣傳動(dòng)中，由于工藝和驅(qū)動(dòng)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(xiàn)中共直流母線(xiàn)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(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)有時(shí)會(huì)發(fā)生從電機(jī)端發(fā)電得到的能量反饋到傳動(dòng)的變頻器中來(lái)，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(shí)候（也就是被一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)定值的速度拖動(dòng)的時(shí)候），或者是當(dāng)傳動(dòng)電機(jī)發(fā)生制動(dòng)以提供足夠的張力的時(shí)候（如放卷系統(tǒng)中的傳動(dòng)電機(jī)）。
傳統(tǒng)意義上的PWM變頻器并沒(méi)有設(shè)計(jì)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(huì)保存在電解電容中，最終導(dǎo)致變頻器中的母線(xiàn)電壓升高。如果變頻器配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，變頻器就可以通過(guò)短時(shí)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(dòng)時(shí)最大的電流容量、負(fù)載周期和消耗到制動(dòng)電阻上的額定功率就可以來(lái)設(shè)計(jì)合適的制動(dòng)單元，并以連續(xù)的方式消耗電能，最終能夠保持母線(xiàn)電壓的平衡。這種制動(dòng)單元的工作方式其實(shí)就是消耗能量的一種。
如果有多個(gè)傳動(dòng)變頻器通過(guò)直流母線(xiàn)互連的話(huà)，一個(gè)或多個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電機(jī)以電動(dòng)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(gè)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(gè)更快剎車(chē)或緊急停止的狀態(tài)的話(huà)，那就需要再加上一個(gè)一定容量的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻以便在非常時(shí)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(xiàn)上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來(lái)。
2通用變頻器共用直流母線(xiàn)的方案
對(duì)于通用變頻器而言，采用共用直流母線(xiàn)很重要的一點(diǎn)就是在上電時(shí)必須充分考慮到變頻器的控制、傳動(dòng)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(xiàn)（保持同一相位）、直流母線(xiàn)、通用變頻器組、公共制動(dòng)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(xiàn)方案
該方案有以下特點(diǎn)：（1）使用一個(gè)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(gè)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(gè)變頻器都可以單獨(dú)從直流母線(xiàn)中分離出來(lái)而不影響其他系統(tǒng)；（4）通過(guò)連鎖接觸器來(lái)控制變頻器的DC到共用母線(xiàn)的聯(lián)絡(luò)；（5）快熔來(lái)保護(hù)掛在直流母線(xiàn)上的變頻器的電容單元；（6）所有掛在母線(xiàn)上的變頻器必須使用同一個(gè)三相電源。
在圖一中，QF是每個(gè)變頻器的進(jìn)線(xiàn)保護(hù)裝置，它應(yīng)該采用帶輔助觸點(diǎn)的空氣開(kāi)關(guān)，這主要是因?yàn)橹绷鹘佑|器MC的接通必須同時(shí)滿(mǎn)足QF的輔助觸點(diǎn)閉合和變頻器運(yùn)行狀態(tài)正常這兩個(gè)條件，否則MC就斷開(kāi)。
LR為進(jìn)線(xiàn)電抗器，由于實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境往往會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的波動(dòng)并產(chǎn)生高次諧波，使用進(jìn)線(xiàn)電抗器就能有效地避免這些因素對(duì)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(shí)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(xiàn)，或是在變頻器故障后快速地與DC母線(xiàn)斷開(kāi)以進(jìn)一步縮小變頻器故障范圍，使用在該場(chǎng)合的變頻器必須要有信號(hào)24VDC或干觸點(diǎn)信號(hào)輸出，其輸出信號(hào)至少包括：（1）READY信號(hào)：該信號(hào)輸出有效則表示變頻器無(wú)故障，母線(xiàn)電壓正常，可以接受啟動(dòng)命令；（2）FAULT信號(hào)：該信號(hào)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(dòng)電機(jī)在電動(dòng)或制動(dòng)時(shí)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(dòng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)的最大電流來(lái)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(xiàn)的應(yīng)用
通用變頻器的共用直流母線(xiàn)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(dòng)（如圖二所示），與主動(dòng)件相連的電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)為主電機(jī)，與從動(dòng)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(dòng)方式早在60年代已應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室，但這種傳動(dòng)方式幾十年來(lái)沒(méi)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(dòng)器。
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,，近年來(lái)變頻器的性能價(jià)格比大大提高，母線(xiàn)共連的方案也日趨成熟，國(guó)內(nèi)有很多離心機(jī)廠(chǎng)家都在探索雙電機(jī)雙變頻器的驅(qū)動(dòng)方案，目前南京綠洲機(jī)器廠(chǎng)、海申機(jī)械總廠(chǎng)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(tái)普通變頻器驅(qū)，直流母線(xiàn)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(wèn)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(xiàn)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(gè)主要的傳動(dòng)電機(jī)，既一道、二道、三道牽伸和卷曲，它們需要同步運(yùn)行。在同步時(shí)，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(dòng)狀態(tài)。由于M1和M2發(fā)電是由于3道牽伸的電動(dòng)所引起的，該2臺(tái)電機(jī)所產(chǎn)生的回饋能量足以消耗到處于電動(dòng)狀態(tài)下的M3和M4中，而不會(huì)引起直流回路母線(xiàn)電壓的升高，這樣通過(guò)圖三接線(xiàn)就可以基本上解決再生能量的制動(dòng)問(wèn)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(xiàn)中，能量傳遞的公式為：P0=P3 + P4 - P1 - P2。很顯然，母線(xiàn)共連方案將大大降低能量損耗。
圖三 共用直流母線(xiàn)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(xiàn)的控制方式，具有以下顯著的特點(diǎn)：
a. 共用直流母線(xiàn)可以大大減少制動(dòng)單元的重復(fù)配置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。
b. 共用直流母線(xiàn)的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲(chǔ)能容量大；
c. 各電動(dòng)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(dòng)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(dòng)電機(jī)，由于導(dǎo)紙輥經(jīng)常會(huì)工作在制動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)就必須考慮到再生能量的問(wèn)題，如果對(duì)于每個(gè)傳動(dòng)配置一個(gè)制動(dòng)單元或能量回饋裝置，就會(huì)造成系統(tǒng)復(fù)雜。如果采用母線(xiàn)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(xiàn)方案在造紙機(jī)上的應(yīng)用
本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）共用的直流母線(xiàn)采用銅排連接；（2）各單機(jī)變頻器與共用直流母線(xiàn)通過(guò)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(guó)Siemens直流調(diào)速的整流器6RA24系列；（4）通過(guò)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(dòng)控制系統(tǒng)和過(guò)程控制PLC系統(tǒng)中去，這樣可以保證對(duì)整流器的實(shí)時(shí)投運(yùn)監(jiān)控，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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