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(shí)，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(gè)配電室中。兩臺離心機(jī)共用一個(gè)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。可知，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(dú)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(yùn)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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
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(shí)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(shí)現(xiàn)了高可靠性，而且實(shí)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(shí)上在沒有大功率整流集成模塊的時(shí)候，廠家都是通過并聯(lián)多組整流模塊來實(shí)現(xiàn)大功率的整流電路，在變頻器設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)上回饋單元制造廠家，在設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)，設(shè)置變頻器故障繼電器輸出端子的輸出選項(xiàng)為“變頻器運(yùn)行準(zhǔn)備好”，變頻器參設(shè)置數(shù)為“F7.12=
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(shí)，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(gè)續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。這時(shí)，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(shí)電容的直流母線電壓抬升，當(dāng)升至680V時(shí)，制動單元開始工作，即回饋多余的電能到電網(wǎng)側(cè)，此時(shí)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(bào)過電壓故障。單臺時(shí)變頻器制動單元?jiǎng)x車時(shí)的電流曲線如圖6，剎車時(shí)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
圖6 制動單元工作時(shí)的電流曲線
由此可見每次剎車時(shí)，制動單元必然工作，最大電流達(dá)
6、改造后的測試數(shù)據(jù)
停車時(shí)三相進(jìn)線電壓： 3PH 380VAC
變頻器沒有運(yùn)行時(shí)直流母線電壓： 540VDC
變頻器運(yùn)行時(shí)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(shí)，母線電壓降低，此時(shí)另一臺降速，直流母線電壓在540--670V波動，制動單元在此時(shí)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(shí)剎車時(shí)，回饋單元工作狀態(tài)將同時(shí)工作，任選其中一臺測試電流為
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(yùn)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(shí)間1設(shè)定 F0.10=300
減速時(shí)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(diǎn)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(diǎn)和優(yōu)勢：
1）、使用一個(gè)完整的變頻器，而不是單純的整流橋加多個(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(gè)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(gè)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(shí)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?jiǎng)x車時(shí)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(jià)格和變頻器價(jià)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(gè)變頻器升速，另一個(gè)變頻器剎車時(shí)，均衡了“一個(gè)吃不飽、一個(gè)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(shí)制動單元組的并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，使得當(dāng)其中一個(gè)制動單元故障時(shí)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(shí)離心機(jī)仍能正常剎車運(yùn)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(shí)間段不同以及單個(gè)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。
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