变频器共直流母线及回馈单元并联在离心机上的应用

　　一、引言

　　在化工企业电气传动中，离心机的变频传动应用非常普遍，由于工艺和驱动设备的各种原因，再生能量的现象经常发生，在通用变频器中，对再生能量最常用的处理方式有两种：(1)、耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中，称之为动力制动状态;(2)、使之回馈到电网，则称之为回馈制动状态(又称再生制动状态)。直流共母线的原理是基于通用变频装置均采用交-直-交变频方式，当电机处于制动状态时，其制动能量反馈到直流侧，为了更好的处理反馈制动能量，人们采用了把各变频装置的直流侧连接起来的方式。譬如当一台变频器处于制动而另一台变频器处于加速状态，这样能量可以互补。本文提出了一种通用变频器在化工企业离心机中共直流母线的方案，并阐述了其在离心机上回馈单元并联中的进一步应用。

　　二、改造前变频调速系统方案

　　1、离心机原有控制系统介绍

　　改造的离心机共12台、每台控制系统都是一样。变频器为艾默生EV2000系列22KW，恒转矩型，回馈单元皆为加能的IPC-PF-1S回馈制动单元，所有控制系统集中在一个配电室中。两台离心机共用一个GGD控制柜，限于篇幅只画出其中四台，其余八台与此类似。系统图如图1所示。可知，每一台变频器需要一台回馈制动单元，各自的控制系统完全独立。

　　图1 改造前变频器及制动单元系统原理图

　　图1结构是我公司向厂家订货，成套购买，安装调试后，一直运行至今。

　　2、原有控制系统方案的改进之处

　　1、当其中一台离心机制动时，电能回馈到电网，制动单元随变频器刹车反复工作。

　　2、当其中一台离心机制动，另一台升速时，回馈的电能和需要的电能量不能直接交互。

　　3、当其中一台制动单元故障后，离心机整套系统因不能刹车而停车，制动单元不能共享。

　　4、当离心机急速刹车时，在变频器承受的最大电流范围内，回馈单元将有可能过载或故障。

　　三、升级改造后变频控制系统方案

　　1、控制系统主回路接线图

　　图2 升级改造后变频器及制动单元系统原理图

　　此次改造提出了回馈制动单元组的概念，也就是相同型号或厂家的同一类型制动单元并

　　联，组合成容量比较大的回馈单元组，即回馈单元并联。参见制动单元的说明书，该类型的制动单元具有并联均流功能，可多台并联使用，满足大容量回馈制动的需要。系统原理图见图4所示。这样不仅避免了四台离心机不能同时刹车，而且在其中任一台变频器或回馈单元故障后不影响其他设备的正常使用。不仅实现了高可靠性，而且实现了回馈单元的冗余配置。

　　2、变频器的原理框图

　　变频器的电路基本原理框图如下图3所示。变频器的直流主回路直流正(+)和直流负(—)分别并联后并不会影响各自的功能，事实上在没有大功率整流集成模块的时候，厂家都是通过并联多组整流模块来实现大功率的整流电路，在变频器设计时也考虑到了用小功率的整流单元并联成组来满足大功率场合下的使用。由此可见，变频器的直流母线并联并不影响变频器的各自功能，反而在变频器直流侧并联后提供了一些优势，诸如整流容量变大，滤波电容变大，抗干扰能力变强等。

　　3 变频器电路基本原理框图

　　3、回馈装置的原理框图

　　回馈单元的原理框图如下图4所示。直流输入回路P1(+)和N1(—)和 交流输入回A、B、C路，分别并联后并不会影响各自的功能，事实上回馈单元制造厂家，在设计时就考虑到了用小功率的回馈单元并联成组来满足大功率场合下的使用。

　　图4 制动单元回馈装置的原理框图

　　4、控制原理图工作分析

　　控制原理图如图5所示。变频器故障继电器输出端子TA、TC为常开触点，设置变频器故障继电器输出端子的输出选项为“变频器运行准备好”，变频器参设置数为“F7.12=15”。上电后变频器“变频器运行准备好”，各变频器的TA、TC吸合，变频器的直流母线并联接触器依次吸合。否则接触器就断开。每台变频器运行准备好后，只有变频器上电，并且正常以后，才可以并接在一起，如任意一台有故障，直流母线接触器就不吸合。变频器一运行正常后即刻接入直流制动单元组，变频器断电或故障时断开直流回路。

　　图5 升级改造后的变频器接入制动单元组控制原理图

　　5、改造前的测试数据

　　当离心机刹车时，电动机将处于再生发电制动状态，系统中所储存的机械能经电动机转换成电能，通过逆变器的六个续流二极管回送到变频器的直流回路中。此时的逆变器处于整流状态。这时，如果变频器中没采取消耗能量的措施，这部分能量将导致中间回路的储能电容器的电压上升，此时电容的直流母线电压抬升，当升至680V时，制动单元开始工作，即回馈多余的电能到电网侧，此时单台变频器直流母线电压维持在680(有的690V)以下，变频器不至于报过电压故障。单台时变频器制动单元刹车时的电流曲线如图6，刹车时间为4分种，测试仪器为FLUKE 43B 单相电能质量分析仪，分析软件为《FlukeView Power Quality Analyzer Version 3.10.1》。

　　图6 制动单元工作时的电流曲线

　　由此可见每次刹车时，制动单元必然工作，最大电流达22A。而制动单元的额定电流为45A。显然制动单元处于半载状态。

　　6、改造后的测试数据

　　停车时三相进线电压： 3PH 380VAC

　　变频器没有运行时直流母线电压： 540VDC

　　变频器运行时直流母线电压： 520VDC

　　回馈单元开始回馈的初始电压： 680 VDC

　　四台回馈单元及变频器直流母线并联后，当一台升速时，母线电压降低，此时另一台降速，直流母线电压在540--670V波动，制动单元在此时没有开启，制动单元一般工作的DC电压为680V。

　　当4台变频器同时刹车时，回馈单元工作状态将同时工作，任选其中一台测试电流为21A，比起改造前的电流有所减少，比先前的22A电流减少了1A。如下图7测试分析。

　　图7 改造后的制动单元工作电流监视图

　　7、变频器主要参数设置

　　运行命令通道选择 F0.03=1

　　最高操作频率设定 F0.05=50

　　加速时间1设定 F0.10=300

　　减速时间1设定 F0.11=300

　　故障继电器输出选择 F7.12=15

　　AO1输出功能 F7.26=2

　　6、该方案有以下特点和优势：

　　本文介绍的变频器直流共母线及回馈单元并联有如下特点和优势：

　　1)、使用一个完整的变频器，而不是单纯的整流桥加多个逆变器方案。

　　2)、不需要有分离的整流桥、充电单元、电容组和逆变器。

　　3)、每一个变频器都可以单独从直流母线中分离进去而不影响其他系统。

　　4)、变频器通过自身的完好状态来控制变频器的DC是否联络直流母线的。

　　5)、连锁控制来保护挂在直流母线上的变频器的电容单元。

　　6)、所有挂在母线上的变频器必需使用同一个三相电源。

　　7)、变频器故障后快速地与 DC 母线断开以进一步缩小变频器故障范围。

　　8)、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。

　　9)、共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大，能减少电网的波动。

　　10)、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。

　　11)、各个变频器在电网中产生的不同次谐波干扰可以互相抵消，减少电网的谐波畸变率。

　　12)、变频器直流母线的并联解决了原有变频器整流模块过热问题，降低了整流模块负荷。

　　13)、能量回馈单元的并联冗余，解决了原有设备一对一的不可靠性，减少故障时间。

　　四、节能分析

　　回馈制动单元相比电阻能耗制动本身就是一种节能的应用，可是要求每台变频器需要刹车时配用一台制动单元。必然要求有几台变频器就得配几台制动单元，而制动单元的价格和变频器价格相差不大，工作持续率却不是很高。共用直流母线变频器驱动在离心机上的广泛应用，较好的解决了当一个变频器升速，另一个变频器刹车时，均衡了“一个吃不饱、一个吃的吐”，的问题，该方案减少了制动单元的重复设置，降低了工作次数的，也减少了对电网的干扰次数，提高了电网的电能质量。同时制动单元组的并联冗余设计，使得当其中一个制动单元故障时不会影响其他制动单元的正常工作，保障了回馈单元设备故障时离心机仍能正常刹车运行，极大的提高了设备的利用率。在减少设备投入，增加设备使用率，节约设备、节能方面有特别重要的意义。

　　五、结束语

　　通用变频器共用直流母线和回馈单元并联的广泛应用，较好的解决了电能消耗与电能回馈时间段不同以及单个回馈单元容量不够用的问题，对减少设备投入、降低电网干扰、提高设备利用率和可靠性有特别重要的意义。