變頻器共直流母線(xiàn)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(dòng)中，離心機(jī)的變頻傳動(dòng)應(yīng)用非常普遍，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，在通用變頻器中，對(duì)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(dòng)電阻”中，稱(chēng)之為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài);(2)、使之回饋到電網(wǎng)，則稱(chēng)之為回饋制動(dòng)狀態(tài)(又稱(chēng)再生制動(dòng)狀態(tài))。直流共母線(xiàn)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(dòng)狀態(tài)時(shí)，其制動(dòng)能量反饋到直流側(cè)，為了更好的處理反饋制動(dòng)能量，人們采用了把各變頻裝置的直流側(cè)連接起來(lái)的方式。譬如當(dāng)一臺(tái)變頻器處于制動(dòng)而另一臺(tái)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(xiàn)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)介紹

　　改造的離心機(jī)共12臺(tái)、每臺(tái)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(dòng)單元，所有控制系統(tǒng)集中在一個(gè)配電室中。兩臺(tái)離心機(jī)共用一個(gè)GGD控制柜，限于篇幅只畫(huà)出其中四臺(tái)，其余八臺(tái)與此類(lèi)似。系統(tǒng)圖如圖1所示。可知，每一臺(tái)變頻器需要一臺(tái)回饋制動(dòng)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(dòng)單元系統(tǒng)原理圖

　　圖1結(jié)構(gòu)是我公司向廠(chǎng)家訂貨，成套購(gòu)買(mǎi)，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(tái)離心機(jī)制動(dòng)時(shí)，電能回饋到電網(wǎng)，制動(dòng)單元隨變頻器剎車(chē)反復(fù)工作。

　　2、當(dāng)其中一臺(tái)離心機(jī)制動(dòng)，另一臺(tái)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(tái)制動(dòng)單元故障后，離心機(jī)整套系統(tǒng)因不能剎車(chē)而停車(chē)，制動(dòng)單元不能共享。

　　4、當(dāng)離心機(jī)急速剎車(chē)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(guò)載或故障。

　　三、升級(jí)改造后變頻控制系統(tǒng)方案

　　1、控制系統(tǒng)主回路接線(xiàn)圖

　　圖2 升級(jí)改造后變頻器及制動(dòng)單元系統(tǒng)原理圖

　　此次改造提出了回饋制動(dòng)單元組的概念，也就是相同型號(hào)或廠(chǎng)家的同一類(lèi)型制動(dòng)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(jiàn)制動(dòng)單元的說(shuō)明書(shū)，該類(lèi)型的制動(dòng)單元具有并聯(lián)均流功能，可多臺(tái)并聯(lián)使用，滿(mǎn)足大容量回饋制動(dòng)的需要。系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖4所示。這樣不僅避免了四臺(tái)離心機(jī)不能同時(shí)剎車(chē)，而且在其中任一臺(tái)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(huì)影響各自的功能，事實(shí)上在沒(méi)有大功率整流集成模塊的時(shí)候，廠(chǎng)家都是通過(guò)并聯(lián)多組整流模塊來(lái)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(lái)滿(mǎn)足大功率場(chǎng)合下的使用。由此可見(jiàn)，變頻器的直流母線(xiàn)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(shì)，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(huì)影響各自的功能，事實(shí)上回饋單元制造廠(chǎng)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(lái)滿(mǎn)足大功率場(chǎng)合下的使用。

　　圖4 制動(dòng)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(kāi)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=15”。上電后變頻器“變頻器運(yùn)行準(zhǔn)備好”，各變頻器的TA、TC吸合，變頻器的直流母線(xiàn)并聯(lián)接觸器依次吸合。否則接觸器就斷開(kāi)。每臺(tái)變頻器運(yùn)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(tái)有故障，直流母線(xiàn)接觸器就不吸合。變頻器一運(yùn)行正常后即刻接入直流制動(dòng)單元組，變頻器斷電或故障時(shí)斷開(kāi)直流回路。

　　圖5 升級(jí)改造后的變頻器接入制動(dòng)單元組控制原理圖

　　5、改造前的測(cè)試數(shù)據(jù)

　　當(dāng)離心機(jī)剎車(chē)時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)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(méi)采取消耗能量的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲(chǔ)能電容器的電壓上升，此時(shí)電容的直流母線(xiàn)電壓抬升，當(dāng)升至680V時(shí)，制動(dòng)單元開(kāi)始工作，即回饋多余的電能到電網(wǎng)側(cè)，此時(shí)單臺(tái)變頻器直流母線(xiàn)電壓維持在680(有的690V)以下，變頻器不至于報(bào)過(guò)電壓故障。單臺(tái)時(shí)變頻器制動(dòng)單元?jiǎng)x車(chē)時(shí)的電流曲線(xiàn)如圖6，剎車(chē)時(shí)間為4分種，測(cè)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(dòng)單元工作時(shí)的電流曲線(xiàn)

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

　　6、改造后的測(cè)試數(shù)據(jù)

　　停車(chē)時(shí)三相進(jìn)線(xiàn)電壓： 3PH 380VAC

　　變頻器沒(méi)有運(yùn)行時(shí)直流母線(xiàn)電壓： 540VDC

　　變頻器運(yùn)行時(shí)直流母線(xiàn)電壓： 520VDC

　　回饋單元開(kāi)始回饋的初始電壓： 680 VDC

　　四臺(tái)回饋單元及變頻器直流母線(xiàn)并聯(lián)后，當(dāng)一臺(tái)升速時(shí)，母線(xiàn)電壓降低，此時(shí)另一臺(tái)降速，直流母線(xiàn)電壓在540--670V波動(dòng)，制動(dòng)單元在此時(shí)沒(méi)有開(kāi)啟，制動(dòng)單元一般工作的DC電壓為680V。

　　當(dāng)4臺(tái)變頻器同時(shí)剎車(chē)時(shí)，回饋單元工作狀態(tài)將同時(shí)工作，任選其中一臺(tái)測(cè)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(cè)試分析。

　　圖7 改造后的制動(dòng)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(shì)：

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

　　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(xiàn)中分離進(jìn)去而不影響其他系統(tǒng)。

　　4)、變頻器通過(guò)自身的完好狀態(tài)來(lái)控制變頻器的DC是否聯(lián)絡(luò)直流母線(xiàn)的。

　　5)、連鎖控制來(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(xiàn)斷開(kāi)以進(jìn)一步縮小變頻器故障范圍。

　　8)、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。

　　9)、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，能減少電網(wǎng)的波動(dòng)。

　　10)、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。

　　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(xiàn)的并聯(lián)解決了原有變頻器整流模塊過(guò)熱問(wèn)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(duì)一的不可靠性，減少故障時(shí)間。

　　四、節(jié)能分析

　　回饋制動(dòng)單元相比電阻能耗制動(dòng)本身就是一種節(jié)能的應(yīng)用，可是要求每臺(tái)變頻器需要?jiǎng)x車(chē)時(shí)配用一臺(tái)制動(dòng)單元。必然要求有幾臺(tái)變頻器就得配幾臺(tái)制動(dòng)單元，而制動(dòng)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(xiàn)變頻器驅(qū)動(dòng)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(chē)時(shí)，均衡了“一個(gè)吃不飽、一個(gè)吃的吐”，的問(wèn)題，該方案減少了制動(dòng)單元的重復(fù)設(shè)置，降低了工作次數(shù)的，也減少了對(duì)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(dòng)單元組的并聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，使得當(dāng)其中一個(gè)制動(dòng)單元故障時(shí)不會(huì)影響其他制動(dòng)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(chē)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(yǔ)

　　通用變頻器共用直流母線(xiàn)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(wèn)題，對(duì)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。