關(guān)于共用直流母線及其并聯(lián)改造的研究

吳鳳英，翟獻(xiàn)超

（天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384）

關(guān)于共用直流母線及其并聯(lián)改造的研究

吳鳳英，翟獻(xiàn)超

（天津理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，天津 300384）

對(duì)共用直流母線技術(shù)、SPDMR整流單元作了介紹并根據(jù)生產(chǎn)的需要采用母線并聯(lián)技術(shù)對(duì)共用直流母線進(jìn)行了升級(jí)改造。改造后不僅設(shè)備的能力得到充分開發(fā)，生產(chǎn)中也降低了電能的損耗，達(dá)到節(jié)能的目的；同時(shí)提高了生產(chǎn)節(jié)奏，可以軋制更高鋼級(jí)品種；而且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備冗余功能，極大地減少了故障時(shí)間和備件損耗。

共用直流母線技術(shù)；整流單元；直流母線并聯(lián)

目前，無縫鋼管企業(yè)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)的節(jié)奏性要求越來越高。某無縫鋼管生產(chǎn)企業(yè)熱軋主軋線由5架共15臺(tái)連軋電機(jī)和6臺(tái)限動(dòng)電機(jī)以及脫管電機(jī)組成。連軋5架15臺(tái)電機(jī)電氣傳動(dòng)部分分別采用1組直流母線控制，共分為5組；限動(dòng)6臺(tái)電機(jī)采用1主5從的控制方式，由1組直流母線控制。在實(shí)際生產(chǎn)中，在軋制時(shí)限動(dòng)電機(jī)的能量回饋電網(wǎng)，而主軋機(jī)的能力略顯不足，導(dǎo)致生產(chǎn)中既有大量電能浪費(fèi)又無法軋制一些高鋼級(jí)品種。同時(shí)，在使用過程中遇到過以下一些問題：在軋制鋼種為27CrMo27S，27CrMo27Vs，28CrMo45V，1Cr5Mo，規(guī)格為244.48 mm×11.99 mm或244.48 mm×11.01 mm時(shí)，當(dāng)連軋2架電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值超過1 000 r/min時(shí)，極容易出現(xiàn)電機(jī)過電流跳閘或連軋2架主傳動(dòng)柜直流母線在拋鋼時(shí)出現(xiàn)過電壓跳閘；某個(gè)整流單元故障后傳動(dòng)柜直接跳閘，導(dǎo)致現(xiàn)場抱棒堆鋼等現(xiàn)象，造成生產(chǎn)工具的損耗和大量中間軋廢；變壓器故障造成長時(shí)間停產(chǎn)。

針對(duì)以上一些問題，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在軋制過程中連軋2架負(fù)荷最大，在其能力不足的同時(shí)，其它幾架連軋主機(jī)能力有一定的富裕；在軋制過程中，限動(dòng)電機(jī)加速時(shí)連軋主機(jī)是空載運(yùn)行，而當(dāng)咬鋼之后連軋主機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)而限動(dòng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，其能量可以互補(bǔ)使用。

目前有兩種方案可以對(duì)該問題進(jìn)行解決，一種是對(duì)設(shè)備進(jìn)行整體升級(jí)，并對(duì)主回路和控制回路進(jìn)行大的調(diào)整；另一種是采用母線并聯(lián)技術(shù)對(duì)共用直流母線進(jìn)行升級(jí)改造。

經(jīng)過分析研究，方案1需要較多的資金費(fèi)用以及需要較充裕的改造時(shí)間，因此在目前的條件下難以實(shí)現(xiàn)。方案2是對(duì)2組及其以上傳動(dòng)柜的直流母線進(jìn)行并聯(lián)組成更大容量的直流母線，改造后的母線上共使用6個(gè)整流單元（1主5從），同時(shí)母線電容量增加為原先的2倍，通過計(jì)算改造后當(dāng)任意1個(gè)從的整流回饋裝置出現(xiàn)故障時(shí)（比如快熔故障等），可以確保連續(xù)生產(chǎn)而不會(huì)有任何影響；2個(gè)整流回饋裝置出現(xiàn)故障后，可以通過適當(dāng)降低軋制速度或提高軋制間隔滿足連續(xù)生產(chǎn)要求。因此通過對(duì)比分析，考慮資金及問題性原則，確定采用方案2進(jìn)行改造。

1　共用直流母線

所謂共用直流母線就是將變頻器分解為兩部分，即整流部分與逆變部分。某無縫鋼管廠連軋機(jī)組的電氣主傳動(dòng)部分采用的是共用直流母線的多逆變器傳動(dòng)方案。其直流母線使用的是意大利安塞爾多公司的SILCOPAC SPDMR產(chǎn)品。SPDMR的主回路由2套反并聯(lián)晶閘管組成的三相全控橋構(gòu)成。這種拓樸結(jié)構(gòu)與不可控的二極管整流橋相比，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向可控流動(dòng)且能省下給直流母線電容的預(yù)充電部分。由于系統(tǒng)采用合理的電壓等級(jí)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以同二極管整流橋一樣保證很高的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。SPDMR的控制部分采用電流環(huán)、電壓環(huán)雙閉環(huán)外加電壓前饋、電流前饋功能塊的控制方案。這種電流前饋、電壓前饋功能塊可以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)足夠快［1-2］。

變頻器采用的是該公司的SVGT3000系列。SVGT3000變頻器擁有V/f（壓頻比）、SLS（矢量開環(huán)）、FOC（矢量閉環(huán)）3種控制方式，共用直流母線采用單獨(dú)的整流/回饋裝置SPDMR，為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源［3-4］。

2　直流母線并聯(lián)

所謂直流母線并聯(lián)就是對(duì)2組及其以上傳動(dòng)柜的直流母線進(jìn)行并聯(lián)，組成更大容量的直流母線。

我們選擇負(fù)載最大最易出故障的限動(dòng)及連軋2，3架直流母線進(jìn)行并聯(lián)改造，改造后的母線上共使用6個(gè)整流單元（1主5從），同時(shí)母線電容量增加為原先的2倍。

限動(dòng)、連軋2架連軋3架母線并聯(lián)，利用限動(dòng)和連軋工作狀態(tài)的不同，在毛管預(yù)插入階段由連軋2，3架分擔(dān)限動(dòng)的加速負(fù)荷，在軋制階段，利用連軋3架的能力余量和限動(dòng)的制動(dòng)能量來分擔(dān)2架的負(fù)荷，避免了2架的過電壓跳閘，并且可以減弱軋鋼時(shí)電網(wǎng)壓降造成直流母線電壓降低對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力降低的影響，可以軋制高鋼級(jí)品種，提高產(chǎn)品競爭力。

母線并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以減少負(fù)荷對(duì)整流單元和變壓器的沖擊，降低其故障發(fā)生率，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備冗余，在某一整流單元或者變壓器故障時(shí)可以繼續(xù)生產(chǎn)。

3　項(xiàng)目實(shí)施

3.1硬件部分改造

1）首先根據(jù)并聯(lián)整流回饋裝置的進(jìn)線電壓相位一致的要求，將連軋3架與連軋2架整流變壓器進(jìn)行對(duì)調(diào)。這樣連軋2架和連軋3架整流變壓器分別滿足要求。

2）將把原來的整流回饋裝置均由RTTR升級(jí)為SPDMR，增加每個(gè)單元的控制環(huán)節(jié)以便適應(yīng)主從選擇要求。對(duì)SPDMR進(jìn)行配置主要包括以下8個(gè)方面：①測試新的繼電邏輯功能；②對(duì)新的配置進(jìn)行測試；③對(duì)新增加的GIFOA觸發(fā)板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；④檢查SPDMR各相間的同步服務(wù)；⑤測試打開環(huán)同時(shí)調(diào)整電壓傳感器；⑥測試控制電壓。⑦測試SPDMR（1主5從）的配置結(jié)構(gòu)；⑧檢查自動(dòng)化系統(tǒng)的信號(hào)連鎖。

3）使用光纖觸發(fā)控制代替原來的主從控制，增加GIFOA觸發(fā)板。

4）對(duì)傳動(dòng)柜柜體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)新增GIFOA板對(duì)柜體空間的要求。

5）敷設(shè)并聯(lián)電纜及橋架，鋪設(shè)新的通訊光纖，將所并聯(lián)的傳動(dòng)柜直流母線首尾連接，如圖1和圖2所示。

圖1　SPDMR光纖連接改造前Fig.1　SPDMR fiber connection before the transformation

圖2　SPDMR光纖連接改造后Fig.2　SPDMR fiber connection after the transformation

3.2軟件部分

新增繼電邏輯功能，完成主從邏輯選擇及故障管理等功能。更改邏輯控制電路，增加新的主從互鎖選擇控制，對(duì)零速等保護(hù)回路重新修改。

為升級(jí)后的SPDMR增加新的DP站，重新組態(tài)網(wǎng)絡(luò)。修改程序，讀取電壓電流等到新的HMI畫面。新的報(bào)警功能和故障預(yù)處理功能。重新配置Iba跟蹤曲線。圖3為新的HMI畫面。

圖3　改造后的HMI畫面Fig.3　Reformed HMI screen

3.3系統(tǒng)主回路分析

如圖4所示，三相750 V的交流電一路經(jīng)過三相交流進(jìn)線電抗器后送入SPDMR的正向橋整流后送出1 000 V的直流電；另一路經(jīng)過750 V/930 V的升壓自耦變壓器后送入SPDMR的反向橋，這組橋的作用是將電機(jī)的制動(dòng)能量回饋電網(wǎng)。整流后的直流母線串入直流平波電抗器以濾除電流諧波。中間直流回路并聯(lián)了1個(gè)二極管D和大量的濾波電容C。這個(gè)二極管作用是在直流母線故障過電壓情況下給電容的放電通道。

圖4　系統(tǒng)主回路圖Fig.4　Main Circuit of system

根據(jù)三相全控橋的電壓計(jì)算公式：Ud= 1.35·UL·cosα（Ud為直流母線電壓，UL為電網(wǎng)的線電壓）由于UL=750 V,Ud=1 000 V系統(tǒng)在帶載情況下，α角是完全打開的。此時(shí)的正向橋相當(dāng)于二極管的不控整流橋。這種工作狀態(tài)較之深度控制α角的晶閘管整流橋可以使進(jìn)線側(cè)的功率因數(shù)接近于1，但前提必須是系統(tǒng)帶載。由于中間直流回路采用大電容作為濾波器，系統(tǒng)在不帶載的情況下α角可以處于任意角度，只有帶載的情況下對(duì)電容器的充電電流連續(xù)時(shí)α角才完全打開。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測，系統(tǒng)在不帶載時(shí)功率因數(shù)只有0.4左右，一旦帶載以后功率因數(shù)一般會(huì)達(dá)到0.93以上。

由于系統(tǒng)的整流方式相當(dāng)于二極管的不控整流，所以系統(tǒng)的制動(dòng)能量必須要通過升壓的自耦變壓器將這部分能量回饋到交流電網(wǎng)。升壓自耦變壓器在系統(tǒng)中起的作用為提高逆變過程中的最小逆變角βmin（1.35×930×cosβmin=1 000,其中βmin=37°）避免了由于變壓器二次側(cè)漏抗引起的換向重疊角而導(dǎo)致的逆變顛覆。

中間直流回路的濾波大電容是保證直流母線電壓穩(wěn)定的必要條件。系統(tǒng)規(guī)定只有母線電容量滿足下述關(guān)系時(shí)才能保證母線電壓的穩(wěn)定而不會(huì)出現(xiàn)持續(xù)振蕩。

式中：∑Ib為逆變器吸收的電流總和。

3.4限動(dòng)連軋2，3架改造效果跟蹤

如圖5所示，改造前在軋鋼過程中，限動(dòng)高速插入時(shí)母線電流峰值一般是2 500 A左右。如圖6所示，改造后是560×2=1 120 A左右；高速返回時(shí)峰值一般是5 000 A左右，改造后是1 100×2=2 200 A左右。說明改造后加速過程中由于6個(gè)柜子共同出力，減少了對(duì)限動(dòng)整流單元的沖擊。

圖5　改造前跟蹤曲線Fig.5　Front tracking curves

圖6　改造后跟蹤Fig.6　Post transformation tracking curves

改造前在軋鋼過程中，限動(dòng)電能回饋電網(wǎng)，這時(shí)有-750 A左右回饋，此時(shí)連軋2架電流約為2 000 A。改造后，限動(dòng)能量回饋給連軋，這時(shí)2架電流是800 A左右。同時(shí)由于限動(dòng)也是正組橋工作，減少了電網(wǎng)波動(dòng)擊穿晶閘管的可能性［5-6］。

4　結(jié)論

限動(dòng)與連軋2架連軋3架組成大直流母線，在預(yù)插入階段由連軋2，3架分擔(dān)限動(dòng)的加速負(fù)荷；在軋制階段，限動(dòng)由制動(dòng)變成電動(dòng)狀態(tài)，減少了能量回饋損耗。經(jīng)過計(jì)算和實(shí)際測試，限動(dòng)電機(jī)速度超調(diào)由70 r降低為30 r，直流母線壓降減少50 V，加速時(shí)峰值電流由近8 000 A降低為2 700 A，在軋制同品種時(shí)總能量損耗降低了5%～8%。

改造后利用連軋3架的能力余量和限動(dòng)的制動(dòng)能量來分擔(dān)2架的負(fù)荷，避免了2架的過電壓跳閘，并且可以減弱軋鋼時(shí)電網(wǎng)壓降造成直流母線電壓降低對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力降低的影響，可以軋制高鋼級(jí)品種如27CrMo27S，27CrMo27Vs，28CrMo45V，1Cr5Mo等附加值高的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品競爭力。

改造后不僅設(shè)備的能力得到充分開發(fā)，生產(chǎn)中也降低了電能的損耗，達(dá)到節(jié)能的目的；同時(shí)提高了生產(chǎn)節(jié)奏，可以軋制更高鋼級(jí)品種；而且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備冗余功能，極大地減少了故障時(shí)間和備件損耗。

［1］李波.公共直流母線系統(tǒng)在鋼管生產(chǎn)線上的應(yīng)用［J］.湖南冶金，2006，34（02）：34-36.

［2］許紅兵.PROFIBUS-DP和公共直流母線技術(shù)在剪切線上的應(yīng)用［J］.電氣時(shí)代，2006，32（6）：118-119.

［3］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.第4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［5］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］廖曉鐘.電子技術(shù)與電氣傳動(dòng)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2003.

Research on Reformation about Common DC Bus and Its Parallel Connection

WU Fengying，ZHAI Xianchao
（College of Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

The common DC bus technology，the SPDMR rectifier unit and the bus parallel technology were introduced，and the upgrading of the common DC bus was carried out according to the need of production.After transformation，equipment is not only the ability to get the full development，production also reduces the power loss，energy-saving purposes are achieved；at the same time，the production rhythm is improved，more high grade steel varietiesmaybevolled，butalsoredundantequipmentareachievd，thefailuretimeandsparepartslossarereducedgreatly.

common DC bus technology；rectifying units；DC bus parallel

TP391

B

2015-08-04

修改稿日期：2016-03-16

吳鳳英（1961-），女，大學(xué)本科，Email：wufy8912@163.com