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，稱之為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)；（2）使之回饋到電網(wǎng)，則稱之為回饋制動(dòng)狀態(tài)（又稱再生制動(dòng)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(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)中共直流母線的方案，并闡述了其在離心機(jī)上回饋單元的進(jìn)一步應(yīng)用。

目前直流共母線有多種方式：

（1）公用一個(gè)獨(dú)立的整流器 該整流單元可以是不能逆變，也可以是可逆變的。前者能量通過外接制動(dòng)電阻消耗掉，后者可以充分地將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來，具有更好的節(jié)能、環(huán)保意義，缺點(diǎn)是價(jià)格比前者要高。

（2）大變頻單元接入電網(wǎng) 小變頻器公用大變頻器的直流母線，小變頻器不需接入電網(wǎng)，故也不需要整流模塊，大變頻器外接制動(dòng)電阻。

（3）每個(gè)變頻單元各自接入電網(wǎng) 每個(gè)變頻單元均帶有整流、逆變回路并外接制動(dòng)電阻，直流母線相互連接起來。這種情形多用于各變頻單元功率接近的情況。解體后還可以獨(dú)立使用，互不影響。 本文介紹的直流共母線為第三種方式，相比前兩種有很大優(yōu)勢：

a、共用直流母線可以大大減少制動(dòng)單元的重復(fù)配置，結(jié)構(gòu)簡單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。

b、共用直流母線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)。

c、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。

d、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。

二、改造前變頻調(diào)速系統(tǒng)方案

2.1離心機(jī)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)集中八臺(tái)與此類似。系統(tǒng)圖如圖1所示。

 

圖1 改造前變頻器及制動(dòng)單元系統(tǒng)原理圖

由圖1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，

2.2剎車時(shí)制動(dòng)工作分析

當(dāng)離心機(jī)剎車時(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(chǔ)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(dòng)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(tái)變頻器直流母線電壓維持在680V（有的690V）以下，變頻器不至于報(bào)過電壓故障。單臺(tái)時(shí)變頻器制動(dòng)單元?jiǎng)x車時(shí)的電流曲線如圖2，剎車時(shí)間為3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2 制動(dòng)單元工作時(shí)的電流曲線

由此可見每次剎車時(shí)，制動(dòng)單元必然工作，最大電流達(dá)27A。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)。

三、改造后變頻調(diào)速系統(tǒng)方案

3.1共直流母線的處置方法

采用共用直流母線很重要的一點(diǎn)就是上電時(shí)必需充分考慮到變頻器的控制、傳動(dòng)故障、負(fù)載特性和輸入主回路維護(hù)等。該方案包括3相進(jìn)線（堅(jiān)持同一相位）、直流母線、通用變頻器組、公共制動(dòng)單元或能量回饋裝置和一些附屬元件。 對(duì)于通用變頻器而言，圖3所示為在其中一種應(yīng)用比較廣泛的方案。選用第三種改造方案后的主電路系統(tǒng)圖如圖3，圖3中空氣開關(guān)Q1至Q4是每個(gè)變頻器的進(jìn)線保護(hù)裝置，KM1至KM4為每臺(tái)變頻器的上電接觸器。KMZ1至KMZ3為直流母線的并聯(lián)接觸器。1#、2#離心機(jī)共用一個(gè)制動(dòng)單元，組成一組，3#、4#離心機(jī)共用一個(gè)制動(dòng)單元，組成一組，當(dāng)兩組都正常時(shí)可以并接在一起。同時(shí)也是基于現(xiàn)場操作工人的工作時(shí)序，1#、2#離心機(jī)不同時(shí)剎車，3#、4#離心機(jī)不同時(shí)剎車。正常工作時(shí)一般為兩臺(tái)離心機(jī)1#、3#為一組，2#、4#為一組，四臺(tái)離心機(jī)一般不會(huì)同時(shí)剎車。由于實(shí)際工作現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境往往會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的動(dòng)搖并發(fā)生高次諧波。也可用于增加電源阻抗并協(xié)助吸收附近設(shè)備投入工作時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰，從而最終維護(hù)變頻器的整流單元。每臺(tái)變頻器也可以使用進(jìn)線電抗器來有效地防止這些因素對(duì)變頻器的影響。本項(xiàng)目改造中由于原設(shè)備沒有裝進(jìn)線電抗器，故并沒有畫出進(jìn)線電抗器及其他諧波治理裝置。
 

圖3 改造后變頻器及制動(dòng)單元系統(tǒng)原理圖

3.2控制系統(tǒng)的方案 控制線路如圖4，四臺(tái)變頻器上電后，每臺(tái)變頻器運(yùn)行準(zhǔn)備好后，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”，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，直流母線接觸器就不吸合。變頻器故障繼電器輸出端子TA、TC為常開觸點(diǎn)，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，直流母線并聯(lián)接觸器依次吸合。否則接觸器就斷開。
 

圖4 改造后的制動(dòng)單元并聯(lián)控制原理圖

3.3該方案特點(diǎn)

（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）通過連鎖接觸器來控制變頻器的DC共用母線的聯(lián)絡(luò)。

（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。

3.4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 3.5改造后的測試數(shù)據(jù) 停車時(shí)進(jìn)線電壓： 3PH 380VAC 母線電壓： 530VDC 直流母線電壓： 650V 當(dāng)一臺(tái)升速時(shí)，母線電壓降低，此時(shí)另一臺(tái)降速，直流母線電壓在540~670V波動(dòng)，制動(dòng)單元在此時(shí)沒有開啟，制動(dòng)單元一般工作的DC電壓為680V如圖5測試分析。

圖5 改造后的制動(dòng)單元工作電流監(jiān)視圖

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(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。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)間段不同步這個(gè)問題，對(duì)減少設(shè)備投入、降低電網(wǎng)干擾和提高設(shè)備利用率有特別重要的意義。

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作者簡介

白獻(xiàn)剛（1979-） 男 ，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)任職于石藥集團(tuán)維生藥業(yè)（石家莊）有限公司電氣管理。