交流通用变频器共直流母线的设计与应用分析

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【摘 要 】
在工业电气传动中，由于工艺和驱动设备的各种原因，再生能量的现象经常发生，在能量回收系统中有着各种方法，本文提出了一种通用变频器在大型生产线中共直流母线方案，并阐述了其在离心机、化纤设备、造纸机上的进一步应用。

1 前言
　　在同一个电力拖动系统中的一个或多个传动有时会发生从电机端发电得到的能量反馈到传动的变频器中来，这种现象叫“再生能量”。这种情况一般发生在电机被拖着走的时候（也就是被一个远远高于设定值的速度拖动的时候），或者是当传动电机发生制动以提供足够的张力的时候（如放卷系统中的传动电机）。
　　传统意义上的PWM变频器并没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能，因此所有变频器从电机吸收的能量都会保存在电解电容中，最终导致变频器中的母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻，变频器就可以通过短时间接通电阻，使电能以热方式消耗掉。当然只要充分考虑到制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率就可以来设计合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最终能够保持母线电压的平衡。这种制动单元的工作方式其实就是消耗能量的一种。
　　如果有多个传动变频器通过直流母线互连的话，一个或多个电机产生的再生能量就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收了。这是一种非常有效的工作方式，即使有多个部位的电机一直处于连续发电状态，也不用再去考虑其他的处理再生能量的方式。在这种方式下，如果还需要一个更快刹车或紧急停止的状态的话，那就需要再加上一个一定容量的制动单元和制动电阻以便在非常时刻起作用，当然采用能量回馈装置就可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来。

2通用变频器共用直流母线的方案
　　对于通用变频器而言，采用共用直流母线很重要的一点就是在上电时必须充分考虑到变频器的控制、传动故障、负载特性和输入主回路保护等。图一所示为在其中一种应用比较广泛的方案。该方案包括3相进线（保持同一相位）、直流母线、通用变频器组、公共制动单元或能量回馈装置和一些附属元件。



图一通用变频器共直流母线方案

　　该方案有以下特点：（1）使用一个完整的变频器，而不是单纯使用传统意义上的整流桥加多个逆变器方案；（2）不需要有分离的整流桥、充电单元、电容组和逆变器；（3）每一个变频器都可以单独从直流母线中分离出来而不影响其他系统；（4）通过连锁接触器来控制变频器的DC到共用母线的联络；（5）快熔来保护挂在直流母线上的变频器的电容单元；（6）所有挂在母线上的变频器必须使用同一个三相电源。
　　在图一中，QF是每个变频器的进线保护装置，它应该采用带辅助触点的空气开关，这主要是因为直流接触器MC的接通必须同时满足QF的辅助触点闭合和变频器运行状态正常这两个条件，否则MC就断开。
LR为进线电抗器，由于实际工作现场的复杂环境往往会导致电网的波动并产生高次谐波，使用进线电抗器就能有效地避免这些因素对变频器的影响，也可用于增加电源阻抗并帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰，从而最终保护变频器的整流单元。LR的选型原则可选用与变频器同功率的即可。
　　为确保变频器上电后顺利地挂上DC母线，或是在变频器故障后快速地与DC母线断开以进一步缩小变频器故障范围，使用在该场合的变频器必须要有信号24VDC或干触点信号输出，其输出信号至少包括：（1）READY信号：该信号输出有效则表示变频器无故障，母线电压正常，可以接受启动命令；（2）FAULT信号：该信号输出表示变频器故障。
　　FU为半导体快速熔断器，额定电压通常可选700VDC，如Bussman的FWP系列或Gouldshawmut的A70P系列，额定电流必须考虑到驱动电机在电动或制动时的最大能量，一般情况下可以额定负载的125%电流即可。
　　MC为2P直流接触器，如ABB的EHDB系列，额定电压650VDC，其额定电流同样须根据驱动电机制动时的最大电流来定，一般情况下可以选额定负载的120%电流。

3 共用直流母线的应用
　　通用变频器的共用直流母线方案目前已经在工业领域的很多机械设备上得到广泛应用，不仅整机（设备加电气）故障率低，而且能最大程度地节能，更具有环保的意义。

3.1离心机
　　卧螺离心机用双电机驱动（如图二所示），与主动件相连的电机处于电动机工作状态为主电机，与从动件相连的电机由于转鼓差速的作用始终处于发电机状态的为副电机。该传动方式早在60年代已应用于实验室，但这种传动方式几十年来没有在工业上获得广泛应用，究其原因：关键在于副电机再生的电能在当初的技术条件下不能合理利用。所以，在大多数情况下，卧螺离心机的副电机都被取消，而安装了涡流制动器。
　　随着电力电子技术的快速发展,，近年来变频器的性能价格比大大提高，母线共连的方案也日趋成熟，国内有很多离心机厂家都在探索双电机双变频器的驱动方案，目前南京绿洲机器厂、海申机械总厂等在卧螺离心机已经广泛应用了双变频方案。在该方案中，主、副电机各用一台普通变频器驱，直流母线用适当的方式并接，较好的解决副电机持续发电的问题。它的应用，在能源日益紧缺的今天，有着特别重要的意义。



图二 共用直流母线方案在离心机上的应用

3.2化纤后纺设备
　　化纤后纺设备通常包括四个主要的传动电机，既一道、二道、三道牵伸和卷曲，它们需要同步运行。在同步时，一道牵伸M1和二道牵伸M2为保持一定牵伸比必须处于发电状态，而三道牵伸M3和卷曲M4则处于电动状态。由于M1和M2发电是由于3道牵伸的电动所引起的，该2台电机所产生的回馈能量足以消耗到处于电动状态下的M3和M4中，而不会引起直流回路母线电压的升高，这样通过图三接线就可以基本上解决再生能量的制动问题，从而使系统始终处于比较稳定的状态。
图三的接线中，能量传递的公式为：P0=P3 + P4 - P1 - P2。很显然，母线共连方案将大大降低能量损耗。


图三 共用直流母线方案在化纤设备上的应用

化纤后纺设备采用共用直流母线的控制方式，具有以下显著的特点：
a. 共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。
b. 共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大；
c. 各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性；

3.3造纸机
　　在纸机上要用到很多导纸辊传动电机，由于导纸辊经常会工作在制动状态，这时就必须考虑到再生能量的问题，如果对于每个传动配置一个制动单元或能量回馈装置，就会造成系统复杂。如果采用母线共连的方式就可以统一将导纸辊上产生的能量进行互补，并接入到单一的能量回馈装置，如图四所示。


图四 共用直流母线方案在造纸机上的应用

　　本系统具有以下特点：（1）共用的直流母线采用铜排连接；（2）各单机变频器与共用直流母线通过连接模块如MC和FU进行联络；（3）再生能量回馈装置采用德国Siemens直流调速的整流器6RA24系列；（4）通过整流器后的交流电再利用隔离变压器与交流电网相连，采用6RA24系列整流器后，回馈的交流电为AC500V，必须采用500/400的隔离变压器；（5）将控制整流器6RA24的系统融合到多电机传动控制系统和过程控制PLC系统中去，这样可以保证对整流器的实时投运监控，确保系统的稳定性。