變頻器共直流母線及回饋單元並聯在離心機上的應用

在化工企業電氣傳動中，離心機的變頻傳動應用非常普遍，由於工藝和驅動設備的各種原因，再生能量的現象經常發生，在通用變頻器中，對再生能量最常用的處理方式有兩種：(1)、耗散到直流迴路中人為設置的與電容器並聯的「制動電阻」中，稱之為動力制動狀態；(2)、使之回饋到電網，則稱之為回饋制動狀態（又稱再生制動狀態）。直流共母線的原理是基於通用變頻裝置均採用交－直－交變頻方式，當電機處於制動狀態時，其制動能量反饋到直流側，為了更好的處理反饋制動能量，人們採用了把各變頻裝置的直流側連接起來的方式。譬如當一台變頻器處於制動而另一台變頻器處於加速狀態，這樣能量可以互補。本文提出了一種通用變頻器在化工企業離心機中共直流母線的方案，並闡述了其在離心機上回饋單元並聯中的進一步應用。

二、改造前變頻調速系統方案

1、離心機原有控制系統介紹

改造的離心機共12台、每台控制系統都是一樣。變頻器為艾默生EV2000系列22KW，恆轉矩型，回饋單元皆為加能的IPC-PF-1S回饋制動單元，所有控制系統集中在一個配電室中。兩台離心機共用一個GGD控制櫃，限於篇幅只畫出其中四台，其餘八台與此類似。系統圖如圖1所示。可知，每一台變頻器需要一台回饋制動單元，各自的控制系統完全獨立。

圖1 改造前變頻器及制動單元系統原理圖

圖1結構是我公司向廠家訂貨，成套購買，安裝調試后，一直運行至今。

2、原有控制系統方案的改進之處

1)、當其中一台離心機制動時，電能回饋到電網，制動單元隨變頻器剎車反覆工作。

2)、當其中一台離心機制動，另一台升速時，回饋的電能和需要的電能量不能直接交互。

3)、當其中一台制動單元故障后，離心機整套系統因不能剎車而停車，制動單元不能共享。

4)、當離心機急速剎車時，在變頻器承受的最大電流範圍內，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方案

1、控制系統主迴路接線圖

圖2 升級改造后變頻器及制動單元系統原理圖

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並聯，組合成容量比較大的回饋單元組，即回饋單元並聯。參見制動單元的說明書，該類型的制動單元具有並聯均流功能，可多台並聯使用，滿足大容量回饋制動的需要。系統原理圖見圖4所示。這樣不僅避免了四台離心機不能同時剎車，而且在其中任一台變頻器或回饋單元故障后不影響其他設備的正常使用。不僅實現了高可靠性，而且實現了回饋單元的冗餘配置。

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。變頻器的直流主迴路直流正（+）和直流負（—）分別並聯后並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，廠家都是通過並聯多組整流模塊來實現大功率的整流電路，在變頻器設計時也考慮到了用小功率的整流單元並聯成組來滿足大功率場合下的使用。由此可見，變頻器的直流母線並聯並不影響變頻器的各自功能，反而在變頻器直流側並聯后提供了一些優勢，諸如整流容量變大，濾波電容變大，抗干擾能力變強等。

圖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。直流輸入迴路P1（+）和N1（—）和交流輸入回A、B、C路，分別並聯后並不會影響各自的功能，事實上回饋單元製造廠家，在設計時就考慮到了用小功率的回饋單元並聯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「變頻器運行準備好」，變頻器參設置數為「F7.12=15」。上電后變頻器「變頻器運行準備好」，各變頻器的TA、TC吸合，變頻器的直流母線並聯接觸器依次吸合。否則接觸器就斷開。每台變頻器運行準備好后，只有變頻器上電，並且正常以後，才可以並接在一起，如任意一台有故障，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迴路。

圖5 升級改造后的變頻器接入制動單元組控制原理圖

5、改造前的測試數據

當離心機剎車時，電動機將處於再生髮電制動狀態，系統中所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過逆變器的六個續流二極體回送到變頻器的直流迴路中。此時的逆變器處於整流狀態。這時，如果變頻器中沒採取消耗能量的措施，這部分能量將導致中間迴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，當升至680V時，制動單元開始工作，即回饋多餘的電能到電網側，此時單台變頻器直流母線電壓維持在680（有的690V）以下，變頻器不至於報過電壓故障。單台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 單相電能質量分析儀，分析軟體為《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22A。而制動單元的額定電流為45A。顯然制動單元處於半載狀態。

6、改造后的測試數據

停車時三相進線電壓： 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

四台回饋單元及變頻器直流母線並聯后，當一台升速時，母線電壓降低，此時另一台降速，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4台變頻器同時剎車時，回饋單元工作狀態將同時工作，任選其中一台測試電流為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視圖

7、變頻器主要參數設置

運行命令通道選擇 F0.03=1

最高操作頻率設定 F0.05=50

加速時間1設定 F0.10=300

減速時間1設定 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勢：

本文介紹的變頻器直流共母線及回饋單元並聯有如下特點和優勢：

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去而不影響其他系統。

4）、變頻器通過自身的完好狀態來控制變頻器的DC是否聯絡直流母線的。

5）、連鎖控制來保護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 母線斷開以進一步縮小變頻器故障範圍。

8）、共用直流母線可以大大減少制動單元的重複配置，結構簡單合理，經濟可靠。

9）、共用直流母線的中間直流電壓恆定，電容並聯儲能容量大，能減少電網的波動。

10）、各電動機工作在不同狀態下，能量回饋互補，優化了系統的動態特性。

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

12）、變頻器直流母線的並聯解決了原有變頻器整流模塊過熱問題，降低了整流模塊負荷。

13）、能量回饋單元的並聯冗餘，解決了原有設備一對一的不可靠性，減少故障時間。

四、節能分析

回饋制動單元相比電阻能耗制動本身就是一種節能的應用，可是要求每台變頻器需要剎車時配用一台制動單元。必然要求有幾台變頻器就得配幾台制動單元，而制動單元的價格和變頻器價格相差不大，工作持續率卻不是很高。共用直流母線變頻器驅動在離心機上的廣泛應用，較好的解決了當一個變頻器升速，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複設置，降低了工作次數的，也減少了對電網的干擾次數，提高了電網的電能質量。同時制動單元組的並聯冗餘設計，使得當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，保障了回饋單元設備故障時離心機仍能正常剎車運行，極大的提高了設備的利用率。在減少設備投入，增加設備使用率，節約設備、節能方面有特別重要的意義。

五、結束語

通用變頻器共用直流母線和回饋單元並聯的廣泛應用，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，對減少設備投入、降低電網干擾、提高設備利用率和可靠性有特別重要的意義。

參考文獻

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