優(yōu)利康（Yolico）變頻器負(fù)荷共享（共母線）的應(yīng)用

負(fù)荷共享的概念：
在多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械系統(tǒng)中，特別是各軸之間由被加工材料相連接時(shí)，不同軸的電機(jī)則可能處于不同的運(yùn)行狀態(tài)。某臺(tái)電機(jī)可能是電動(dòng)狀態(tài)，某臺(tái)則可能是發(fā)電狀態(tài)。電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)將從其供電裝置吸取電能，而發(fā)電狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)將向其供電裝置輸出電能，這個(gè)能量也叫“再生能量”。
我們可以從電機(jī)的力矩特性圖上看出這二種運(yùn)行方式運(yùn)行在不同的區(qū)域。

圖1
從上圖可以看出，當(dāng)Nx>N0時(shí)，電機(jī)輸出的力矩與運(yùn)動(dòng)方向相反了，輸出力矩成為了制動(dòng)力，阻礙電機(jī)速度繼續(xù)上升。行車的主釣鉤帶負(fù)載下降時(shí)，就工作在這種狀態(tài)。這時(shí)候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速已經(jīng)大于同步轉(zhuǎn)速，事實(shí)上電機(jī)是在被拖著走，電機(jī)產(chǎn)生“再生能量”向電網(wǎng)回饋能量，由于回饋電勢(shì)的頻率與相位與電網(wǎng)不完全相同，所以在大多數(shù)情況下是不允許的。我國(guó)現(xiàn)在只允許油田系統(tǒng)可以向電網(wǎng)回饋電能。
傳統(tǒng)意義上的PWM變頻器并沒有設(shè)計(jì)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(jī)吸收的能量都反饋到電解電容中，最終導(dǎo)致變頻器中的直流母線電壓升高。如果變頻器配置了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，變頻器就可以接通電阻，使“再生能量”最終以熱能方式被消耗掉。當(dāng)然，必須考慮制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的功率，并以高頻脈沖方式消耗掉能量，最終能夠保持母線電壓的平衡。
讓我們?cè)賮?lái)看一看“再生能量”是如何反饋到直流母線上去的。現(xiàn)在大多數(shù)變頻器的逆變單元都是采用了IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊，為了保護(hù)IGBT，在IGBT的集電極和發(fā)射極端都接有反向二極管，如下圖所示。


圖2



當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的瞬時(shí)端電壓已大于直流母線的電壓，這時(shí)IGBT已處于承受反向電壓的狀態(tài)，所以IGBT的反向二極管導(dǎo)通，從不同相的二個(gè)反向二極管形成回路，對(duì)直流母線上的電容形成充電電流，最終使直流母線上的電壓升高。
在多機(jī)聯(lián)動(dòng)時(shí)，其中的一臺(tái)變頻器也可能會(huì)工作發(fā)電狀態(tài)。
如果這些傳動(dòng)變頻器通過(guò)直流母線互聯(lián)的話，一個(gè)或多個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被其它電機(jī)以電動(dòng)能的形式吸收了。如下圖。

圖3

從上圖可以看出，M1、M3處于能量再生的發(fā)電狀態(tài)，而M2、M4則處于吸收能量的電動(dòng)狀態(tài)。這是一種高效的工作方式，即使有多個(gè)部位的電機(jī)一直處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài)，也不需要再去考慮吸收再生能量的方式。但是，如果需要快速制動(dòng)或緊急停止，就需加上一套制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，以便在動(dòng)態(tài)過(guò)渡過(guò)程中，釋放掉多余的能量。

剛性連接的二臺(tái)電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程分析：
在許多場(chǎng)合，二臺(tái)電機(jī)會(huì)拖著同一個(gè)物體運(yùn)行。例如行車的大車，有二臺(tái)電機(jī)分別在兩端拖動(dòng)大車運(yùn)行。如下圖所示。

圖4

對(duì)于這種二臺(tái)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)的控制，一般有二種形式：一個(gè)變頻器拖二臺(tái)電機(jī)；二臺(tái)變頻器各自拖一臺(tái)電機(jī)。這二種方式各自有什么特點(diǎn)呢？對(duì)于第一種方式，如下接線示意圖。


圖5


這種方式的優(yōu)點(diǎn)：二臺(tái)電機(jī)的頻率給定完全一致，調(diào)速方便容易，加減速完全同步；缺點(diǎn)：二臺(tái)電機(jī)的特性差異造成的轉(zhuǎn)速誤差無(wú)法修整，會(huì)造成二臺(tái)電機(jī)的出力不同，使一臺(tái)電機(jī)負(fù)載較輕，而另一臺(tái)電機(jī)處于過(guò)負(fù)荷狀態(tài)，最終使過(guò)負(fù)荷的電機(jī)調(diào)閘而使系統(tǒng)瓦解。所以，如果要使用這種系統(tǒng)調(diào)速，必須選擇二臺(tái)電機(jī)的特性基本一致。
對(duì)于第二種方式，基本接線如下示意圖：

圖6

用這種方式工作時(shí)，只要調(diào)整好二臺(tái)變頻器的參數(shù)，就能彌補(bǔ)以上的不足。先來(lái)看一下由于二臺(tái)電機(jī)的特性不同，對(duì)輸出力矩造成的影響。如下圖所示，如果二臺(tái)變頻器的給定一樣，輸出頻率就基本一致（忽略變頻器模數(shù)轉(zhuǎn)換造成的差異），因電機(jī)是剛性連接，所以工作速度是一致的，從圖可以看出，特性的差異造成了輸出力矩的不同。

圖7

如上圖看出，在同一轉(zhuǎn)速ne時(shí)，電機(jī)M2的輸出轉(zhuǎn)矩T2大于M1的輸出轉(zhuǎn)矩T1。對(duì)于這種出力不一致的情況，有效的解決方法是提高M(jìn)1（輸出特性軟）的給定頻率，如上圖虛線所示的特性曲線，讓M1 在轉(zhuǎn)速ne時(shí)輸出與M2同樣的力矩，這樣就保證了負(fù)荷分配的均勻性。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，我們無(wú)法直接得到電機(jī)的特性曲線，所以在實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)，一般用測(cè)量電流的方法來(lái)調(diào)整頻率。提高輸出電流小的變頻器的輸出頻率，在這個(gè)過(guò)程中，不斷觀察二臺(tái)變頻器的輸出電流，使二臺(tái)變頻器的輸出電流達(dá)到一致。最后把這個(gè)調(diào)整量設(shè)置到變頻器的b7-01號(hào)參數(shù)中，最終疊加到給定量中。
注：b7-01：最高輸出頻率額定力矩發(fā)生時(shí)的滑差量（使特性變軟）
優(yōu)利康（Yolico）變頻器b7-01號(hào)參數(shù)—DROOP增益的調(diào)整范圍是：0~+100%，在上面所講剛性連接的系統(tǒng)中，我們也可以把特性硬的電機(jī)給予一定的DROOP增益，這樣，當(dāng)電機(jī)負(fù)荷大時(shí)，自動(dòng)降低輸出轉(zhuǎn)速，以適應(yīng)特性軟的電機(jī)。自動(dòng)調(diào)整負(fù)荷的平衡。事實(shí)上，當(dāng)給予一定的DROOP增益補(bǔ)償后，人為地降低了電機(jī)的硬度，使二臺(tái)電機(jī)的特性趨于一致。
直流母線共享的實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證電機(jī)有再生能量時(shí)，變頻器的直流母線電壓會(huì)升高，而當(dāng)直流母線共享時(shí)，直流母線電壓會(huì)被抑制，構(gòu)建了如下圖所示的系統(tǒng)。

圖8

由于系統(tǒng)采用的是同步帶與同步輪，相互之間沒有滑差，所以系統(tǒng)就類似于剛性系統(tǒng)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論也適合于剛性系統(tǒng)。
一，變頻器直流母線非共享時(shí)的直流電壓
1，靜止時(shí)，二個(gè)變頻器的直流母線電壓分別為531V、531V；空載時(shí)，M1變頻器給12Hz的頻率，M2變頻器處于停止?fàn)顟B(tài)，直流母線電壓分別為525V、531V；M2變頻器給12Hz的頻率，M1變頻器處于停止?fàn)顟B(tài)，直流母線電壓分別為531V、525V；如下表：
M1、M2都靜止時(shí) M1 12Hz運(yùn)行
M2 停止 M2 12Hz運(yùn)行
M1 停止
M1母線電壓 Udc=531V Udc=525V Udc=531V
M2母線電壓 Udc=531V Udc=531V Udc=525V

從以上的數(shù)據(jù)顯然可以得出一個(gè)結(jié)論：變頻器空載運(yùn)行后，直流電壓會(huì)略有下降。
2，二個(gè)變頻器都給10Hz的頻率運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓都為525V。這時(shí)，保持M2的頻率不變，M1的頻率慢慢增加，就得到如下的一組數(shù)據(jù)（單位：V）。
+1Hz +2Hz +2.1Hz +2.2Hz +2.3Hz +2.4Hz +2.5Hz +2.6Hz
M1 525 522 522 522 522 522 522 522
M2 525 549 550 552 571 592 609 627
張力 2.4 3.3

+2.7Hz +2.8Hz +3Hz +3.1Hz
522 522 522 522
660 700 772 800
5.76

從上表可以看出，隨著M1的給定頻率逐漸上升，M2由于被M1拖著跑，速度已經(jīng)大于自身的同步轉(zhuǎn)速，產(chǎn)生了再生能量，由于沒有接制動(dòng)電阻，直流母線電壓逐漸上升，檢測(cè)到的張力也逐漸上升，當(dāng)電壓升高的800V時(shí)，變頻器跳閘報(bào)警過(guò)電壓，系統(tǒng)受保護(hù)停止運(yùn)行。另外，我們還可以得出這樣得結(jié)論，負(fù)載的加重沒有使M1的直流電壓繼續(xù)下跌，也可以這樣說(shuō)，在額定負(fù)載下，直流電壓只是比空載時(shí)略有下降，并保持恒定。另外，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)，M2產(chǎn)生的反力矩與M1的力矩大小相等，方向相反。如下圖。


圖9


我們把直流母線非共享時(shí)的直流電壓變化規(guī)律總結(jié)如下。
若Fm1>Fm2：變頻器M1的直流電壓將下降。（Fm：給定的頻率）
變頻器M2的直流電壓將上升。
如下圖所示。



圖10



二，變頻器直流母線共享時(shí)的直流電壓
把二臺(tái)變頻器的直流母線共享后，重復(fù)以上的實(shí)驗(yàn)，仍給M2變頻器12Hz的頻率，再慢慢升高M(jìn)1的頻率，得到如下的一組數(shù)據(jù)。
+0Hz +1Hz +2Hz +3Hz +4Hz +5Hz +6Hz
M1 528 526 527 526 526 523 526
M2 528 526 527 526 526 523 526
張力 0 3.9 6.3 7.7 8.8 9.0

從上表可以看出，由于直流母線共享后，M2的直流電壓不再上升，隨著M1頻率的上升，同步帶的張力逐漸增加，電機(jī)的負(fù)荷也逐漸上升，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。
從以上的實(shí)驗(yàn)中可以得到，直流母線共享后，可以有效地利用電機(jī)地再生能量，抑制了直流母線的電壓，提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。在多個(gè)電機(jī)帶同一個(gè)負(fù)載的系統(tǒng)中，這是一個(gè)有效的解決辦法，在幾個(gè)電機(jī)的同步運(yùn)行系統(tǒng)中，也經(jīng)常采用這種方法。
我們?cè)賮?lái)關(guān)注一下張力數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)中可以看到，當(dāng)M1的頻率增加3Hz后，非共享母線時(shí)的張力電壓是5.76V，而當(dāng)共享母線時(shí)的電壓為：6.3V。造成這個(gè)差異的原因是：直流電壓升高后，整流橋?qū)㈥P(guān)斷，無(wú)法從電源吸收能量，制動(dòng)力矩比共享母線時(shí)小；另一方面，直流電壓升高后，電動(dòng)機(jī)發(fā)生的電能對(duì)中間電容的充電電流將減小，制動(dòng)力矩比共享母線時(shí)小。所以會(huì)造成共享母線時(shí)的張力比非共享時(shí)的大。
直流母線共享時(shí)的注意點(diǎn)及接入條件
并不是所有的變頻器都能無(wú)條件地接入共享母線。以下的說(shuō)明都是針對(duì)優(yōu)利康（Yolico）變頻器，至于其他品牌的變頻器，參考有關(guān)的說(shuō)明書。
1，定貨時(shí)提出要求：直流母線共享。
2，容量≤37Kw：允許直接并聯(lián)。
容量≥45Kw：必須加直流母線電抗器。
3，要考慮可控整流的充電時(shí)間常數(shù)。45Kw及以上功率的變頻器是采用可控整流方式的，如遇到這種情況，要考慮直流共享的接入時(shí)間，一般以充電時(shí)間常數(shù)最長(zhǎng)的一臺(tái)為準(zhǔn)，同時(shí)切入到直流共享母線，以減少直流電流的沖擊和很大的環(huán)流。
4，盡量避免超過(guò)二個(gè)等級(jí)差異的變頻器接入直流母線，以免用小變頻器的整流部分給大變頻器充電而燒毀小變頻器的整流部分。
5，有條件的話，盡量采用如下的接線方式。

圖11

這是一種符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接線方式。
直流電抗器的作用：抑制di/dt，保護(hù)整流模塊。如變頻器功率較小，且容量基本一致，又同時(shí)上電，可以省掉直流電抗器。
快速熔斷器的作用：保護(hù)由于直流端短路而造成的整流塊模塊損壞，一般只有有導(dǎo)電的東西掉進(jìn)變頻器而造成，所以大多數(shù)情況下可以省卻。
6，分散供電時(shí)，一定要保障各設(shè)備同時(shí)上電。
7，系統(tǒng)運(yùn)行中要保證母線電流不超過(guò)各設(shè)備自身容量相對(duì)應(yīng)的額定電流。