交流通用變頻器共直流母線的設計與應用分析

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【摘 要 】
在工業(yè)電氣傳動中，由于工藝和驅動設備的各種原因，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、化纖設備、造紙機上的進一步應用。

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)生在電機被拖著走的時候（也就是被一個遠遠高于設定值的速度拖動的時候），或者是當傳動電機發(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）。
　　傳統(tǒng)意義上的PWM變頻器并沒有設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吸收的能量都會保存在電解電容中，最終導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。當然只要充分考慮到制動時最大的電流容量、負載周期和消耗到制動電阻上的額定功率就可以來設計合適的制動單元，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，一個或多個電機產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電機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、負載特性和輸入主回路保護等。圖一所示為在其中一種應用比較廣泛的方案。該方案包括3相進線（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；（5）快熔來保護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是每個變頻器的進線保護裝置，它應該采用帶輔助觸點的空氣開關，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為進線電抗器，由于實際工作現(xiàn)場的復雜環(huán)境往往會導致電網(wǎng)的波動并產(chǎn)生高次諧波，使用進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為半導體快速熔斷器，額定電壓通�？蛇x700VDC，如Bussman的FWP系列或Gouldshawmut的A70P系列，額定電流必須考慮到驅動電機在電動或制動時的最大能量，一般情況下可以額定負載的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)驅動電機制動時的最大電流來定，一般情況下可以選額定負載的120%電流。

3 共用直流母線的應用
　　通用變頻器的共用直流母線方案目前已經(jīng)在工業(yè)領域的很多機械設備上得到廣泛應用，不僅整機（設備加電氣）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
　　臥螺離心機用雙電機驅動（如圖二所示），與主動件相連的電機處于電動機工作狀態(tài)為主電機，與從動件相連的電機由于轉鼓差速的作用始終處于發(fā)電機狀態(tài)的為副電機。該傳動方式早在60年代已應用于實驗室，但這種傳動方式幾十年來沒有在工業(yè)上獲得廣泛應用，究其原因：關鍵在于副電機再生的電能在當初的技術條件下不能合理利用。所以，在大多數(shù)情況下，臥螺離心機的副電機都被取消，而安裝了渦流制動器。
　　隨著電力電子技術的快速發(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)有很多離心機廠家都在探索雙電機雙變頻器的驅動方案，目前南京綠洲機器廠、海申機械總廠等在臥螺離心機已經(jīng)廣泛應用了雙變頻方案。在該方案中，主、副電機各用一臺普通變頻器驅，直流母線用適當?shù)姆绞讲⒔�，較好的解決副電機持續(xù)發(fā)電的問題。它的應用，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上的應用

3.2化纖后紡設備
　　化纖后紡設備通常包括四個主要的傳動電機，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備上的應用

化纖后紡設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配置，結構簡單合理，經(jīng)濟可靠。
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. 各電動機工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)特性；

3.3造紙機
　　在紙機上要用到很多導紙輥傳動電機，由于導紙輥經(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)復雜。如果采用母線共連的方式就可以統(tǒng)一將導紙輥上產(chǎn)生的能量進行互補，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上的應用

　　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）各單機變頻器與共用直流母線通過連接模塊如MC和FU進行聯(lián)絡；（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。