优利康（Yolico）变频器负荷共享（共母线）的应用

负荷共享的概念：
在多轴联动的机械系统中，特别是各轴之间由被加工材料相连接时，不同轴的电机则可能处于不同的运行状态。某台电机可能是电动状态，某台则可能是发电状态。电动状态运行的电动机将从其供电装置吸取电能，而发电状态的电动机将向其供电装置输出电能，这个能量也叫“再生能量”。
我们可以从电机的力矩特性图上看出这二种运行方式运行在不同的区域。

图1
从上图可以看出，当Nx>N0时，电机输出的力矩与运动方向相反了，输出力矩成为了制动力，阻碍电机速度继续上升。行车的主钓钩带负载下降时，就工作在这种状态。这时候，电机的转速已经大于同步转速，事实上电机是在被拖着走，电机产生“再生能量”向电网回馈能量，由于回馈电势的频率与相位与电网不完全相同，所以在大多数情况下是不允许的。我国现在只允许油田系统可以向电网回馈电能。
传统意义上的PWM变频器并没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能，因此所有变频器从电机吸收的能量都反馈到电解电容中，最终导致变频器中的直流母线电压升高。如果变频器配置了制动单元和制动电阻，变频器就可以接通电阻，使“再生能量”最终以热能方式被消耗掉。当然，必须考虑制动单元和制动电阻的功率，并以高频脉冲方式消耗掉能量，最终能够保持母线电压的平衡。
让我们再来看一看“再生能量”是如何反馈到直流母线上去的。现在大多数变频器的逆变单元都是采用了IGBT（绝缘栅双极型晶体管）模块，为了保护IGBT，在IGBT的集电极和发射极端都接有反向二极管，如下图所示。


图2



当电机处于发电状态时，电机的瞬时端电压已大于直流母线的电压，这时IGBT已处于承受反向电压的状态，所以IGBT的反向二极管导通，从不同相的二个反向二极管形成回路，对直流母线上的电容形成充电电流，最终使直流母线上的电压升高。
在多机联动时，其中的一台变频器也可能会工作发电状态。
如果这些传动变频器通过直流母线互联的话，一个或多个电机产生的再生能量就可以被其它电机以电动能的形式吸收了。如下图。

图3

从上图可以看出，M1、M3处于能量再生的发电状态，而M2、M4则处于吸收能量的电动状态。这是一种高效的工作方式，即使有多个部位的电机一直处于连续发电状态，也不需要再去考虑吸收再生能量的方式。但是，如果需要快速制动或紧急停止，就需加上一套制动单元和制动电阻，以便在动态过渡过程中，释放掉多余的能量。

刚性连接的二台电机的运行过程分析：
在许多场合，二台电机会拖着同一个物体运行。例如行车的大车，有二台电机分别在两端拖动大车运行。如下图所示。

图4

对于这种二台电机的调速系统的控制，一般有二种形式：一个变频器拖二台电机；二台变频器各自拖一台电机。这二种方式各自有什么特点呢？对于第一种方式，如下接线示意图。


图5


这种方式的优点：二台电机的频率给定完全一致，调速方便容易，加减速完全同步；缺点：二台电机的特性差异造成的转速误差无法修整，会造成二台电机的出力不同，使一台电机负载较轻，而另一台电机处于过负荷状态，最终使过负荷的电机调闸而使系统瓦解。所以，如果要使用这种系统调速，必须选择二台电机的特性基本一致。
对于第二种方式，基本接线如下示意图：

图6

用这种方式工作时，只要调整好二台变频器的参数，就能弥补以上的不足。先来看一下由于二台电机的特性不同，对输出力矩造成的影响。如下图所示，如果二台变频器的给定一样，输出频率就基本一致（忽略变频器模数转换造成的差异），因电机是刚性连接，所以工作速度是一致的，从图可以看出，特性的差异造成了输出力矩的不同。

图7

如上图看出，在同一转速ne时，电机M2的输出转矩T2大于M1的输出转矩T1。对于这种出力不一致的情况，有效的解决方法是提高M1（输出特性软）的给定频率，如上图虚线所示的特性曲线，让M1 在转速ne时输出与M2同样的力矩，这样就保证了负荷分配的均匀性。当然，在实际应用过程中，我们无法直接得到电机的特性曲线，所以在实际应用的现场，一般用测量电流的方法来调整频率。提高输出电流小的变频器的输出频率，在这个过程中，不断观察二台变频器的输出电流，使二台变频器的输出电流达到一致。最后把这个调整量设置到变频器的b7-01号参数中，最终叠加到给定量中。
注：b7-01：最高输出频率额定力矩发生时的滑差量（使特性变软）
优利康（Yolico）变频器b7-01号参数—DROOP增益的调整范围是：0~+100%，在上面所讲刚性连接的系统中，我们也可以把特性硬的电机给予一定的DROOP增益，这样，当电机负荷大时，自动降低输出转速，以适应特性软的电机。自动调整负荷的平衡。事实上，当给予一定的DROOP增益补偿后，人为地降低了电机的硬度，使二台电机的特性趋于一致。
直流母线共享的实验
为了验证电机有再生能量时，变频器的直流母线电压会升高，而当直流母线共享时，直流母线电压会被抑制，构建了如下图所示的系统。

图8

由于系统采用的是同步带与同步轮，相互之间没有滑差，所以系统就类似于刚性系统。这个实验得出的结论也适合于刚性系统。
一，变频器直流母线非共享时的直流电压
1，静止时，二个变频器的直流母线电压分别为531V、531V；空载时，M1变频器给12Hz的频率，M2变频器处于停止状态，直流母线电压分别为525V、531V；M2变频器给12Hz的频率，M1变频器处于停止状态，直流母线电压分别为531V、525V；如下表：
M1、M2都静止时 M1 12Hz运行
M2 停止 M2 12Hz运行
M1 停止
M1母线电压 Udc=531V Udc=525V Udc=531V
M2母线电压 Udc=531V Udc=531V Udc=525V

从以上的数据显然可以得出一个结论：变频器空载运行后，直流电压会略有下降。
2，二个变频器都给10Hz的频率运行时，直流母线电压都为525V。这时，保持M2的频率不变，M1的频率慢慢增加，就得到如下的一组数据（单位：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
张力 2.4 3.3

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

从上表可以看出，随着M1的给定频率逐渐上升，M2由于被M1拖着跑，速度已经大于自身的同步转速，产生了再生能量，由于没有接制动电阻，直流母线电压逐渐上升，检测到的张力也逐渐上升，当电压升高的800V时，变频器跳闸报警过电压，系统受保护停止运行。另外，我们还可以得出这样得结论，负载的加重没有使M1的直流电压继续下跌，也可以这样说，在额定负载下，直流电压只是比空载时略有下降，并保持恒定。另外，系统运行平稳时，M2产生的反力矩与M1的力矩大小相等，方向相反。如下图。


图9


我们把直流母线非共享时的直流电压变化规律总结如下。
若Fm1>Fm2：变频器M1的直流电压将下降。（Fm：给定的频率）
变频器M2的直流电压将上升。
如下图所示。



图10



二，变频器直流母线共享时的直流电压
把二台变频器的直流母线共享后，重复以上的实验，仍给M2变频器12Hz的频率，再慢慢升高M1的频率，得到如下的一组数据。
+0Hz +1Hz +2Hz +3Hz +4Hz +5Hz +6Hz
M1 528 526 527 526 526 523 526
M2 528 526 527 526 526 523 526
张力 0 3.9 6.3 7.7 8.8 9.0

从上表可以看出，由于直流母线共享后，M2的直流电压不再上升，随着M1频率的上升，同步带的张力逐渐增加，电机的负荷也逐渐上升，系统运行稳定。
从以上的实验中可以得到，直流母线共享后，可以有效地利用电机地再生能量，抑制了直流母线的电压，提高了整个系统的效率。在多个电机带同一个负载的系统中，这是一个有效的解决办法，在几个电机的同步运行系统中，也经常采用这种方法。
我们再来关注一下张力数据，从实验中可以看到，当M1的频率增加3Hz后，非共享母线时的张力电压是5.76V，而当共享母线时的电压为：6.3V。造成这个差异的原因是：直流电压升高后，整流桥将关断，无法从电源吸收能量，制动力矩比共享母线时小；另一方面，直流电压升高后，电动机发生的电能对中间电容的充电电流将减小，制动力矩比共享母线时小。所以会造成共享母线时的张力比非共享时的大。
直流母线共享时的注意点及接入条件
并不是所有的变频器都能无条件地接入共享母线。以下的说明都是针对优利康（Yolico）变频器，至于其他品牌的变频器，参考有关的说明书。
1，定货时提出要求：直流母线共享。
2，容量≤37Kw：允许直接并联。
容量≥45Kw：必须加直流母线电抗器。
3，要考虑可控整流的充电时间常数。45Kw及以上功率的变频器是采用可控整流方式的，如遇到这种情况，要考虑直流共享的接入时间，一般以充电时间常数最长的一台为准，同时切入到直流共享母线，以减少直流电流的冲击和很大的环流。
4，尽量避免超过二个等级差异的变频器接入直流母线，以免用小变频器的整流部分给大变频器充电而烧毁小变频器的整流部分。
5，有条件的话，尽量采用如下的接线方式。

图11

这是一种符合行业标准的接线方式。
直流电抗器的作用：抑制di/dt，保护整流模块。如变频器功率较小，且容量基本一致，又同时上电，可以省掉直流电抗器。
快速熔断器的作用：保护由于直流端短路而造成的整流块模块损坏，一般只有有导电的东西掉进变频器而造成，所以大多数情况下可以省却。
6，分散供电时，一定要保障各设备同时上电。
7，系统运行中要保证母线电流不超过各设备自身容量相对应的额定电流。