變頻器共直流母線在重卷機(jī)電控系統(tǒng)的應(yīng)用

劉鵬飛，楊曉輝

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

2015年我公司為佛山某公司配套重卷機(jī)組電控系統(tǒng)，設(shè)備主要生產(chǎn)300系列、400系列不銹鋼，主要為冷軋機(jī)焊接引帶。設(shè)備電力拖動(dòng)系統(tǒng)為6臺(tái)交流變頻電機(jī)，甲方要求優(yōu)先使用ABB ACS800系列變頻器且要求節(jié)能環(huán)保。

1 項(xiàng)目概述

該重卷機(jī)組主體包括開卷機(jī)、三輥直頭機(jī)、焊接機(jī)、張力輥組、卷取機(jī)等6大部分，其中開卷電機(jī)、張力輥電機(jī)多數(shù)時(shí)間都工作在發(fā)電狀態(tài)，交直交變頻器從電機(jī)吸收的能量都會(huì)保存在電容中，最終導(dǎo)致直流電壓升高。如果配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，變頻器就可以接通電阻，使電能以熱量的方式消耗掉，但是不節(jié)能環(huán)保；如果采用四象限的交直交變頻器，可以把儲(chǔ)存的電能再回饋給電網(wǎng)，但是變頻器成本很高。

采用共直流母線互連的方法，發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)就可以把再生的能源通過直流側(cè)母線，給其它電機(jī)以電動(dòng)的方式消耗吸收，這是一種非常有效的工作方式。當(dāng)設(shè)備處于降速或停車狀態(tài)時(shí)，需要再加上1個(gè)一定容量的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，以便在停車時(shí)把發(fā)電產(chǎn)生的能量消耗掉。重卷設(shè)備的制動(dòng)過程對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程來說很短且不頻繁，所以消耗的能量可以忽略不計(jì)。

標(biāo)準(zhǔn)的交流多傳動(dòng)方案是1個(gè)整流單元帶多個(gè)逆變器，但是ABB標(biāo)準(zhǔn)的二極管整流單元最小輸出功率也有一百多千瓦，針對(duì)這種電機(jī)數(shù)量少、功率小的重卷機(jī)設(shè)備并不是最佳的解決方案。交直交變頻器共直流母線的設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)既經(jīng)濟(jì)實(shí)惠又環(huán)保節(jié)能的目標(biāo)。

2 變頻器共直流母線方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)

普通變頻器共直流母線方案為電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)的能量共享，即當(dāng)系統(tǒng)中任何一臺(tái)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，其所反饋到直流母線中的能量可以被其它處于電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)吸收利用，從而避免能量的浪費(fèi)。

2.2 原理分析

ABB交直交變頻器的逆變單元都是采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊，為了保護(hù)IGBT，在IGBT的集電極和發(fā)射機(jī)端都接有反向二極管。當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，電機(jī)的瞬時(shí)端電壓已大于直流母線的電壓，這時(shí)IGBT已處于承受反向電壓狀態(tài)，所以IGBT的反向二極管導(dǎo)通，從不同相的兩個(gè)反向二極管形成回路，對(duì)直流母線上的電容形成充電電流，最終使直流母線上的電壓升高。但是，在機(jī)列聯(lián)動(dòng)時(shí)，大部分電機(jī)還是處于電動(dòng)狀態(tài)，如果把這些變頻通過直流互連，發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)以電能形式吸收。

2.3 方案詳細(xì)設(shè)計(jì)

目前交直交的變頻器共直流母線有兩種方案(圖1)，一種是多個(gè)變頻器連到供電母線上，第二種是把最大的變頻器接到供電母線上，其它變頻器只是共直流母線。設(shè)備工藝、電機(jī)功率不一樣，設(shè)計(jì)方案也不一樣。

圖1Fig.1

該重卷設(shè)備分為6大部分，共有5臺(tái)交流變頻電機(jī)，開卷機(jī)電機(jī)功率55kW，電流102A，電壓380V，變頻器型號(hào)ACS800-01-0060-3；三輥直頭機(jī)電機(jī)功率7.5kW，電流29A，電壓380V，變頻器型號(hào)ACS800-01-0011-3；卷取機(jī)電機(jī)功率90 kW，電流195A，電壓380V，變頻器型號(hào)ACS800-01-0135-3(R6)；入口和出口張力輥電機(jī)(各1臺(tái))功率37 kW，電流74A，電壓380V，變頻器型號(hào)ACS800-01-0050-3。

如果按照正常的工藝要求生產(chǎn)，工作在電動(dòng)狀態(tài)下的電機(jī)分別是卷取機(jī)和三輥直頭電機(jī)；工作在發(fā)電狀態(tài)下的電機(jī)分別是開卷機(jī)、張力輥入口電機(jī)和張力輥出口電機(jī)。

根據(jù)公式計(jì)算整流功率，Pn≥1.1∑Pmotor-0.9∑Pgen=1.1×(90+7.5)-0.9×(37+37+55)=-8.85?？紤]特殊情況下，如果開卷機(jī)張力大于卷取機(jī)張力，張力輥會(huì)工作在電動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)公式計(jì)算整流功率，Pn≥1.1∑Pmotor-0.9∑Pgen=1.1×(90+7.5+37+37)-0.9×55=139.15。 多數(shù)情況下，開卷張力會(huì)小于卷取張力，S輥工作在電動(dòng)狀態(tài)是極端情況；或者當(dāng)S輥轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較大，在機(jī)列加速過程中，S輥也可能會(huì)工作在電動(dòng)狀態(tài)，但是時(shí)間很短，所以考慮到特殊情況，卷取機(jī)推薦使用ABB ACS800-01-0135-3。

整個(gè)充電能量是所有共直流母線變頻器電容容量之和。根據(jù)工藝要求，三輥直頭電機(jī)只有在穿帶時(shí)點(diǎn)動(dòng)工作，并不在線工作，所以三輥直頭變頻器單獨(dú)連接供電，并不參與共直流母線。

表1

設(shè)備降速或停機(jī)時(shí)，所有電機(jī)都在制動(dòng)，方案還需要設(shè)計(jì)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。根據(jù)ABB多年傳動(dòng)經(jīng)驗(yàn)和我們以往精整設(shè)備經(jīng)驗(yàn)，制動(dòng)單元功率為整流單元功率的30%。

3 結(jié)語

從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來看，我公司設(shè)計(jì)的交直交變頻器共直流母線方案在重卷機(jī)上的應(yīng)用是成功的。由交直交變頻器構(gòu)成的共用直流母線方案也可移植到相同生產(chǎn)工藝要求的其它精整設(shè)備上，充分利用再生能量，達(dá)到既節(jié)約成本又環(huán)保節(jié)能的目的。

[1] 周志敏等編.變頻器工程應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005:

[2] 李繼方，湯天浩，姚剛. 多電機(jī)共直流母線交流傳動(dòng)節(jié)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究[J].電氣傳動(dòng)20 11(7) :7-9.

[3] 劉永峰，謝吉華.變頻器回饋制動(dòng)研究[J].變頻器世界，2008(8):52-54.

[4] 趙智，鮑兵，趙中山,等.基于采油系統(tǒng)的公共直流母線變頻器結(jié)構(gòu)分析及應(yīng)用[J].電氣應(yīng)用，2008，27(14)；24-26.