西門子整流單元在開卷線上的應(yīng)用

文/徐寧，李超，毛玉俊·江蘇亞威機床股份有限公司

開卷線用于將不同規(guī)格的卷材經(jīng)開卷、整平、定尺，加工成不同規(guī)格板材，分類堆放整齊。對于大量使用不同規(guī)格板材的企業(yè)，能夠顯著地增加產(chǎn)量，降低成本，保證質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，是現(xiàn)代企業(yè)必不可少的高效加工機械。

西門子SINAMICS S120是目前市場占有率比較高的變頻器產(chǎn)品，這款產(chǎn)品基于公共直流母線系統(tǒng)的多機傳動，其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能專為完成最復(fù)雜的傳動任務(wù)而設(shè)計。本文介紹了SINAMICS S120系列變頻器的不同整流單元，研究不同整流單元的運行特性，對正確選型具有參考意義。

開卷線工藝流程

卷料由上料小車托起，自動以卷徑對中方式插入開卷機卷筒，開卷機以卷寬方式自動對中，然后卷筒脹開使料卷固定在開卷機卷筒上。借助引料裝置，將鋼帶引入夾送裝置中，通過切頭剪去不良板頭，再引入矯直機中。鋼帶從矯直機出來之后，經(jīng)過活套，由定尺裝置定長，并通過剪板機完成剪切。剪切完成后，通過輸送皮帶、排料架進行堆垛，然后打包、貼標簽、入庫。圖1為開卷線工藝流程示意圖。

圖1 開卷線工藝流程示意圖

開卷線常用整流單元

基本整流單元

基本整流單元是一種不可調(diào)節(jié)的、兩象限運行的電源模塊（能量方向總是從電網(wǎng)輸送到直流母線），這種整流模塊不能將能量從直流母線回饋到電網(wǎng)。驅(qū)動系統(tǒng)的再生能量必須通過連接在直流母線上的制動模塊（制動單元、制動電阻）轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉?；菊鲉卧怯删чl管或二極管組成的電源換相的6-脈動三相整流器。在進線側(cè)，一般連接一個相對短路壓降Uk=2%的輸入電抗器。

基本整流單元（圖2）是SINAMICS G130裝機裝柜型和G150柜機的一個整體組件（均為晶閘管），也是模塊化系統(tǒng)SIANMICS S120裝機裝柜型和柜機的一種整流模塊（小功率范圍為晶閘管、900kW/400V和1500kW/（500～690V）的大功率單元為二極管）。

圖2 帶有Uk=2%的輸入電抗器的SINAMICS S120基本整流單元

基本整流單元是一種電源換向整流器，輸入三相電源電壓VLine，其輸出為不可控的，依賴于負載的直流母線電壓VDCLine。空載時，直流電壓充至電源電壓峰值，即：VDCLine=1.41VLine。加載后，直流母線電壓降低，部分加載時，直流母線電壓VDCLine=1.32VLine，滿載時，VDCLine=1.35VLine。由于直流電壓不可控，電源電壓波動會導(dǎo)致直流母線電壓的波動。

整流回饋單元

Smart Infeed是一種可四象限運行的、簡單的整流回饋單元（圖3），它允許能量從電源流至直流母線，也允許從直流母線流回電源。

圖3 整流回饋單元由SLM和Uk=4%的輸入電抗器組成

整流回饋單元由IGBT逆變器組成，該逆變器工作于電源側(cè)，為電源換向的6-脈動橋式整流回饋單元。與有源整流單元不同，其IGBT不按照脈寬調(diào)制方式觸發(fā)。在整流方式（電動模式）運行時，電流通過集成在IGBT模塊中的二極管從電源流至直流母線，從而在電動模式下表現(xiàn)為電源換向的6-脈動二極管橋式整流電路。回饋方式運行時，電流流過電源頻率同步觸發(fā)的IGBT，這樣，在回饋運行時表現(xiàn)為電源換向的6-脈動IGBT橋式電路。

IGBT與晶閘管不同，它可在任意時間關(guān)斷，在回饋方式運行時不會由于電源故障而發(fā)生換向短路，整流回饋單元需在電源側(cè)安裝一個相對短路壓降為4%的進線電抗器，在SINAMICS S120模塊化系統(tǒng)中，整流回饋單元有裝機裝柜型和柜機型。

整流回饋單元的IGBT總是在自然換向點觸發(fā)開通，120°（電角度）后關(guān)閉，與能量流動方向無關(guān)。因此，電流也就是能量可以隨時從電源流至直流母線，反之亦然。實際電流/能量流動的方向只取決于電源電壓和直流母線電壓。在穩(wěn)定的電動狀態(tài)下運行時，有電流流動期間，直流母線電壓總是低于電源電壓，電流通過二極管從電源流向直流母線；在穩(wěn)定的回饋狀態(tài)下運行時，有電流流動期間，直流母線電壓總是高于電源電壓，電流通過IGBT從直流母線流向電網(wǎng)。這種控制原理的優(yōu)勢在于，對負載的變化，整流回饋單元可以相對快速地做出反應(yīng)，還可隨時改變電流流動的方向。

整流回饋單元是電源換向的整流/回饋設(shè)備，將三相電源電壓VLine整流為不可控的、基于負載的直流母線電壓VDCLine。在空載情況下，直流回路充電至電源電壓峰值，即VDCLine=1.41VLine。直流回路帶載時，直流母線的電壓跌落大于基本整流單元，這是由于整流回饋單元的電抗器相對短路壓降為4%，其壓降大于基本整流單元的2%電抗器的壓降。部分負載時，直流母線電壓VDCLine=1.32VLine，滿載時，VDCLine=1.35VLine。由于直流電壓不可控，電源電壓波動會導(dǎo)致直流母線電壓的波動。

有源整流單元

有源整流單元是用于四象限運行的脈沖調(diào)制的整流/回饋單元，它既允許能量從電源流到直流回路，也允許能量反流。有源整流單元由自換向的IGBT逆變器構(gòu)成，該逆變器工作于電源側(cè)，把電源電壓整流為恒定可控的直流電壓。由于在有源整流單元和電源之間安裝了潔凈電源濾波器，使電網(wǎng)的波形接近于正波，因而諧波最小。

不同整流單元的特性比較

表1為不同類型的整流單元所有關(guān)鍵特性的簡單綜合比較。

表1 不同SINAMICS整流單元的特性比較

結(jié)束語

本文以西門子SINAMICS S120為例，介紹了幾種不同整流單元：基本整流單元、整流回饋單元和有源整流單元，研究不同整流單元的特性，對于根據(jù)開卷線實際需求正確選用變頻器具有參考意義。