變頻器共直流母線" title="直流母線">直流母線及回饋單元并聯(lián)在離心機(jī)上的應(yīng)用 

一、引言

在化工企業(yè)電氣傳動中，離心機(jī)的變頻傳動應(yīng)用非常普遍，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，在通用變頻器中，對再生能量最常用的處理方式有兩種：(1)、耗散到直流回路中人為設(shè)置的與電容器并聯(lián)的“制動電阻”中，稱之為動力制動狀態(tài)" title="制動狀態(tài)">制動狀態(tài)；(2)、使之回饋到電網(wǎng)，則稱之為回饋制動狀態(tài)（又稱再生制動狀態(tài)）。直流共母線的原理是基于通用變頻裝置均采用交－直－交變頻方式，當(dāng)電機(jī)處于制動狀態(tài)時，其制動能量反饋到直流側(cè)，為了更好的處理反饋制動能量，人們采用了把各變頻裝置的直流側(cè)連接起來的方式。譬如當(dāng)一臺變頻器處于制動而另一臺變頻器處于加速狀態(tài)，這樣能量可以互補(bǔ)。本文提出了一種通用變頻器在化工企業(yè)離心機(jī)中共直流母線的方案，并闡述了其在離心機(jī)上回饋單元并聯(lián)中的進(jìn)一步應(yīng)用。

二、改造前變頻調(diào)速系統(tǒng)方案

  1、離心機(jī)原有控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)介紹

     改造的離心機(jī)共12臺、每臺控制系統(tǒng)都是一樣。變頻器為艾默生EV2000系列22KW，恒轉(zhuǎn)矩型，回饋單元皆為加能的IPC-PF-1S回饋制動單元" title="制動單元">制動單元，所有控制系統(tǒng)集中在一個配電室中。兩臺離心機(jī)共用一個GGD控制柜，限于篇幅只畫出其中四臺，其余八臺與此類似。系統(tǒng)圖如圖1所示?？芍?，每一臺變頻器需要一臺回饋制動單元，各自的控制系統(tǒng)完全獨立。

圖1  改造前變頻器及制動單元系統(tǒng)原理圖

圖1結(jié)構(gòu)是我公司向廠家訂貨，成套購買，安裝調(diào)試后，一直運行至今。

2、原有控制系統(tǒng)方案的改進(jìn)之處

1、當(dāng)其中一臺離心機(jī)制動時，電能回饋到電網(wǎng)，制動單元隨變頻器剎車反復(fù)工作。

2、當(dāng)其中一臺離心機(jī)制動，另一臺升速時，回饋的電能和需要的電能量不能直接交互。

3、當(dāng)其中一臺制動單元故障后，離心機(jī)整套系統(tǒng)因不能剎車而停車，制動單元不能共享。

4、當(dāng)離心機(jī)急速剎車時，在變頻器承受的最大電流范圍內(nèi)，回饋單元將有可能過載或故障。

三、升級改造后變頻控制系統(tǒng)方案

1、控制系統(tǒng)主回路接線圖

圖2   升級改造后變頻器及制動單元系統(tǒng)原理圖

此次改造提出了回饋制動單元組的概念，也就是相同型號或廠家的同一類型制動單元并

聯(lián)，組合成容量比較大的回饋單元組，即回饋單元并聯(lián)。參見制動單元的說明書，該類型的制動單元具有并聯(lián)均流功能，可多臺并聯(lián)使用，滿足大容量回饋制動的需要。系統(tǒng)原理圖見圖4所示。這樣不僅避免了四臺離心機(jī)不能同時剎車，而且在其中任一臺變頻器或回饋單元故障后不影響其他設(shè)備的正常使用。不僅實現(xiàn)了高可靠性，而且實現(xiàn)了回饋單元的冗余配置。

2、變頻器的原理框圖

變頻器的電路基本原理框圖如下圖3所示。變頻器的直流主回路直流正（+）和直流負(fù)（—）分別并聯(lián)后并不會影響各自的功能，事實上在沒有大功率整流集成模塊的時候，廠家都是通過并聯(lián)多組整流模塊來實現(xiàn)大功率的整流電路，在變頻器設(shè)計時也考慮到了用小功率的整流單元并聯(lián)成組來滿足大功率場合下的使用。由此可見，變頻器的直流母線并聯(lián)并不影響變頻器的各自功能，反而在變頻器直流側(cè)并聯(lián)后提供了一些優(yōu)勢，諸如整流容量變大，濾波電容變大，抗干擾能力變強(qiáng)等。

3  變頻器電路基本原理框圖

3、回饋裝置的原理框圖

    回饋單元的原理框圖如下圖4所示。直流輸入回路P1（+）和N1（—）和 交流輸入回A、B、C路，分別并聯(lián)后并不會影響各自的功能，事實上回饋單元制造廠家，在設(shè)計時就考慮到了用小功率的回饋單元并聯(lián)成組來滿足大功率場合下的使用。

圖4   制動單元回饋裝置的原理框圖

4、控制原理圖工作分析

控制原理圖如圖5所示。變頻器故障繼電器輸出端子TA、TC為常開觸點，設(shè)置變頻器故障繼電器輸出端子的輸出選項為“變頻器運行準(zhǔn)備好”，變頻器參設(shè)置數(shù)為“F7.12=15”。上電后變頻器“變頻器運行準(zhǔn)備好”，各變頻器的TA、TC吸合，變頻器的直流母線并聯(lián)接觸器依次吸合。否則接觸器就斷開。每臺變頻器運行準(zhǔn)備好后，只有變頻器上電，并且正常以后，才可以并接在一起，如任意一臺有故障，直流母線接觸器就不吸合。變頻器一運行正常后即刻接入直流制動單元組，變頻器斷電或故障時斷開直流回路。

圖5  升級改造后的變頻器接入制動單元組控制原理圖

5、改造前的測試數(shù)據(jù)

當(dāng)離心機(jī)剎車時，電動機(jī)將處于再生發(fā)電制動狀態(tài)，系統(tǒng)中所儲存的機(jī)械能經(jīng)電動機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的六個續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態(tài)。這時，如果變頻器中沒采取消耗能量的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲能電容器的電壓上升，此時電容的直流母線電壓抬升，當(dāng)升至680V時，制動單元開始工作，即回饋多余的電能到電網(wǎng)側(cè)，此時單臺變頻器直流母線電壓維持在680（有的690V）以下，變頻器不至于報過電壓故障。單臺時變頻器制動單元剎車時的電流曲線如圖6，剎車時間為4分種，測試儀器為FLUKE 43B 單相電能質(zhì)量分析儀，分析軟件為《FlukeView Power Quality Analyzer Version 3.10.1》。

圖6  制動單元工作時的電流曲線

由此可見每次剎車時，制動單元必然工作，最大電流達(dá)22A。而制動單元的額定電流為45A。顯然制動單元處于半載狀態(tài)。

6、改造后的測試數(shù)據(jù)

停車時三相進(jìn)線電壓： 3PH  380VAC

變頻器沒有運行時直流母線電壓： 540VDC

變頻器運行時直流母線電壓：     520VDC

回饋單元開始回饋的初始電壓： 680 VDC

四臺回饋單元及變頻器直流母線并聯(lián)后，當(dāng)一臺升速時，母線電壓降低，此時另一臺降速，直流母線電壓在540--670V波動，制動單元在此時沒有開啟，制動單元一般工作的DC電壓為680V。

當(dāng)4臺變頻器同時剎車時，回饋單元工作狀態(tài)將同時工作，任選其中一臺測試電流為21A，比起改造前的電流有所減少，比先前的22A電流減少了1A。如下圖7測試分析。

圖7  改造后的制動單元工作電流監(jiān)視圖

7、變頻器主要參數(shù)設(shè)置

運行命令通道選擇       F0.03=1

最高操作頻率設(shè)定         F0.05=50

加速時間1設(shè)定           F0.10=300

減速時間1設(shè)定            F0.11=300

故障繼電器輸出選擇       F7.12=15

AO1輸出功能             F7.26=2

6、該方案有以下特點和優(yōu)勢：

本文介紹的變頻器直流共母線及回饋單元并聯(lián)有如下特點和優(yōu)勢：

1）、使用一個完整的變頻器，而不是單純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進(jìn)去而不影響其他系統(tǒng)。

4）、變頻器通過自身的完好狀態(tài)來控制變頻器的DC是否聯(lián)絡(luò)直流母線的。

5）、連鎖控制來保護(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需使用同一個三相電源。

7）、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。

8）、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。

9）、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，能減少電網(wǎng)的波動。

10）、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。

11）、各個變頻器在電網(wǎng)中產(chǎn)生的不同次諧波干擾可以互相抵消，減少電網(wǎng)的諧波畸變率。

12）、變頻器直流母線的并聯(lián)解決了原有變頻器整流模塊過熱問題，降低了整流模塊負(fù)荷。

13）、能量回饋單元的并聯(lián)冗余，解決了原有設(shè)備一對一的不可靠性，減少故障時間。

四、節(jié)能分析

回饋制動單元相比電阻能耗制動本身就是一種節(jié)能的應(yīng)用，可是要求每臺變頻器需要剎車時配用一臺制動單元。必然要求有幾臺變頻器就得配幾臺制動單元，而制動單元的價格和變頻器價格相差不大，工作持續(xù)率卻不是很高。共用直流母線變頻器驅(qū)動在離心機(jī)上的廣泛應(yīng)用，較好的解決了當(dāng)一個變頻器升速，另一個變頻器剎車時，均衡了“一個吃不飽、一個吃的吐”，的問題，該方案減少了制動單元的重復(fù)設(shè)置，降低了工作次數(shù)的，也減少了對電網(wǎng)的干擾次數(shù)，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。同時制動單元組的并聯(lián)冗余設(shè)計，使得當(dāng)其中一個制動單元故障時不會影響其他制動單元的正常工作，保障了回饋單元設(shè)備故障時離心機(jī)仍能正常剎車運行，極大的提高了設(shè)備的利用率。在減少設(shè)備投入，增加設(shè)備使用率，節(jié)約設(shè)備、節(jié)能方面有特別重要的意義。

五、結(jié)束語

通用變頻器共用直流母線和回饋單元并聯(lián)的廣泛應(yīng)用，較好的解決了電能消耗與電能回饋時間段不同以及單個回饋單元容量不夠用的問題，對減少設(shè)備投入、降低電網(wǎng)干擾、提高設(shè)備利用率和可靠性有特別重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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[4].《低壓變頻器應(yīng)用手冊》 機(jī)械工業(yè)出版社 作者:仲明振 趙相賓

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