公共直流母线在变频器上的应用

要：本文主要介绍了直流母线技术在济钢中板厂新上剪切线上的应用。对系统的组成，功能特点，现场问题的解决措施做了简要阐述。该系统节能效果明显，易于实现网络控制，操作简单方便，具有很好的推广应用价值。一、引言在工业生产中，采用交流电动机与变频器相结合的交流调速已极为广泛。交流变频调速技术优越的调速性能和显著的节能效果，使其成为现代化电气传动的主要发展方向之一。变频调速是交流电动机调速的发展趋势，使用变摘要：本文主要介绍了直流母线技术在济钢中板厂新上剪切线上的应用。对系统的组成，功能特点，现场问题的解决措施做了简要阐述。该系统节能效果明显，易于实现网络控制，操作简单方便，具有很好的推广应用价值。 一、引言在工业生产中，采用交流电动机与变频器相结合的交流调速已极为广泛。交流变频调速技术优越的调速性能和显著的节能效果，使其成为现代化电气传动的主要发展方向之一。变频调速是交流电动机调速的发展趋势，使用变频器的电控系统，操作比较方便，易于控制，而且又能实现软启动和软停车，不仅消除了因直接挂网而引起的对电动机及设备的机械冲击，而且也消除了对电网的冲击，还可以降低供电变压器的容量。为了适应总公司品种质量需求，济钢中板厂于2005年开始新建一条钢板剪切线，设计时所有设备均采用交流电机驱动，由于整条生产线采用全自动控制，在线电机就存在频繁的启动与制动，在辊道传送钢板时，负载惯性大，制动时，从电机大量反馈回直流环节的能量将抬高直流环节电压。针对上述存在问题，为了充分解决能量反馈问题，最理想的是把电机能量反馈回电网，这种系统不但性能好、运行效率很高，而且运行经济节能。鉴于以上原因，整条剪切线电机传动系统采用罗克韦尔公司公共直流母线技术，由二套整流/回馈单元给公共直流母线供电，所有逆变器均挂接在直流母线上，构成一个公共直流母线调速系统。二、系统特点一般使用独立的变频装置驱动都需要增加反馈电网的装置或制动电阻，否则无法顺利使用。采用反馈电网的方式，其投入成本高，电路复杂，保养维护困难。采用制动电阻因为反馈能量大，消耗功率大，制动功率大也是不经济的方式。如何把负载惯量产生的电能再生利用，就成为关键技术之一。公共直流母线的原理就是将变频器分解为两个部件，即整流器部分和逆变器分开。一台较大的整流装置可以供应多台逆变装置，每台逆变器的直流母线均并联在一起。因此逆变器反馈的能量可以彼此的再生利用。所有逆变器能量不足的部分在有整流桥提供，由交流电源供电，因此这种应用方式节电率最高。同时可以提高设备运行可靠性，减少设备维护量和设备占地面积等。所以公共直流母线技术越来越广泛地应用于多电机传动系统中，不仅可以获得高精度调速系统，而且还可以取得很好的节能效果。三、公共直流母线控制系统的组成公共直流母线控制系统通常由整流/回馈单元、公共直流母线、逆变单元等组成。主回路部分为交直电压型，功率单元采用IGBT组件，在济钢中板剪切线上应用的最大输出功率分别为2000kW和1500KW。该整流回馈单元具有功率因数高、输出纹波小、性能可靠、系统稳定性好等特点。3.1整流/回馈装置整流/回馈单元把交流电源转换为电压稳定的直流电源，即使在逆变器能量回馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定。整流/回馈单元的功率部分一般由2个反并联晶闸管桥组成，可在输入端电网和逆变器中间回路之间整流和回馈。3.2逆变器逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电机平滑调速的目的。逆变器原理图四、系统应用济钢中板厂滚切式双边剪和定尺剪系统设计交流调速电机150台，分别由46套调速装置控制。其中双边剪剪切区共有92台交流电机，定尺剪剪切区公有58台交流电机。这些电机均要求工作在频繁起制动状态，且具有良好的调速性能和调速精度，对定位精度有严格的工艺控制。4.1方案的产生根据双边剪生产工艺的要求，剪切区辊道担负着输送钢板和控制剪切步长的任务，这就要求辊道电机的工作特性要与夹送辊的工作特性保持一致，具有相同的加速度和线速度。系统的自动控制主要有过程级PLC和传动级PLC构成，过程级PLC主要完成系统工艺控制，传动级PLC主要完成辊道等设备的连锁控制和保护。传动级PLC通过CNB获取所有逆变器和操作台的相关信号，通过内部逻辑组合产生对辊道等设备的控制信号。自动时根据主剪对辊道的要求，由过程级PLC通过控制网传给传动级PLC，再经由1203-CN1传送到各逆变器的速度给定上，以最终调整辊道速度或是控制某一系统的运行，停止等。同时通过控制网将监控各系统的运行级故障状态。辊道工作曲线如图所示：辊道工作状态示意图由辊道电机的工作曲线可以看出，辊道电机始终工作在启动、制动状态。因此，辊道属频繁起、制动工况，恒力矩负载，并有不规则的负载冲击，对调速装置提出了较高的制动要求。众所周知，转差矢量控制技术很好的解决了调速低频段电机的力矩和宽范围快速调节电机力矩的问题，而且VVVF电压型逆变器很适合多机拖动系统。在辊道传送钢板时，负载惯性大，制动时，从电机大量反馈回直流环节的能量将抬高直流环节电压。处理反馈能量的方法有许多中，最理想的是把电机能量反馈回电网，这种系统不但性能好、运行效率很高，而且运行经济节能、系统技术含量高、运行稳定、维护量大大减小。鉴于以上原因，剪切区辊道电机传动系统采用罗克韦尔公司公共直流母线技术，由两套整流/回馈单元给公共直流母线供电，所有逆变器均挂接在直流母线上，构成一个公共直流母线调速系统。4.2系统组成由于剪切区辊道电机较多，根据其工艺控制要求，将电机分组控制，以简化系统配置和系统结构。每组电机都有单独逆变器驱动。系统配置图所示：公共直流母线系统配置图整流回馈单元采用通过IGBT的能量反馈方式。在回馈桥和电网间将回馈桥的输入电压升高20%，以实现没有电压降的回馈。中间回路电压通过相位角变化进行调整，中间回路电压由一个带微处理器的数字调节器自动调节。逆变器由中间回路直流电压利用脉冲宽度调制方法（PWM）生成一个交流变频系统，装置由内部闭环电子线路控制，功能由装置软件提供，采用有速度传感器的矢量控制模式。速度给定信号由PLC运算后通过Controlnet网传给每套驱动装置，增加了系统的响应速度和控制精度及系统的抗干扰能力。为了克服高次谐波电流干扰，造成电压波形畸变，从而引起电机脉动，发热及噪声等，同时为了克服尖峰浪涌电压使电动机绝缘提前老化，增加轴电压。系统中采取了一下措施：抗高扰措施：采用专用变压器给整流回馈装置供电，以其他系统分离;在整流回馈装置前加装滤波电抗器;在电机侧增加专用电机保护装置。防止轴电压措施：尽量缩短逆变装置到电动机的配线;在电机输入侧增加滤波电抗器。4.3系统的优点公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给，又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。公共直流母线系统设备结构紧凑，工作稳定。在多电机传动系统中省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备，节省了设备占地面积和设备维护量，减少了设备故障点，提高了设备的整体控制水平。同时运行后节电效果明显，节电率在20%左右。在辊道等多电机传动的场合应用公共直流母线技术是辊道调速的一种发展方向，它能在取得较高的动静态性能、调速精度的同时将系统再生能量加以合理利用和回收。该系统投入运行两年来，运行稳定，设备故障停机率几乎为零，系统各项运行指标均满足双边剪和定尺剪复杂生产工艺的要求。4.4前景应用公共直流母线技术以其特有的优势成为将来主要发展方向，但是就某些已经改造完成的项目而言，新上一整套整流回馈装置在经济利益上并不划算，但是考虑目前变频器结构上的通用性，提出了另外一种改造方案，如下图所示：此种采用共用直流母线的控制方式，虽没有回馈电网的功能，却具有以下显著的特点：a.共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。b.共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大;c.各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性五、结束语济钢中板厂新剪切线的公共直流母线自投用以来，运行非常可靠，没有出现过系统故障，具有直流供电稳定，系统用电效率最高，电机返馈能量可以被利用，瞬功率因子较高,可达95%以上，电网谐波较低，允许频繁起动操作等诸多优点。因此公共直流母线技术及其变通的直流母线技术具有较好的应用推广前景。