公共直流母线技术的研究与应用

【摘要】 　　介绍了公共直流母线系统的组成和应用。公共直流母线技术越来越广泛地应用于多电机传动系统中，在获得高精度调速系统的同时，将系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和能量回收，取得较好的节能效果。 【关键词】 　　公共直流母线技术 整流/回馈 逆变器 多电机传动 　　公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流/回馈装置为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过母线及回馈装置直接回馈给电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。 1、公共直流母线控制系统的组成 　　公共直流母线控制系统通常由整流/回馈单元、公共直流母线、逆变单元等组成。回馈单元可分为通过自耦变压器的能量回馈和不通过自耦变压器的能量回馈两种方式。通过自耦变压器的能量回馈可提高回馈支路中的电源电压，目的是在能量回馈过程中不必降低中间回路电压，使得逆变器能够获得一个较恒稳的直流电源；不通过自耦变压器的能量回馈实际上是保持系统一直处在回馈状态，在整流过程中依靠持续降低具有相角控制的中间回路的电压来实现。 1.1 整流/回馈装置 　　整流/回馈单元把交流电源转换为电压稳定的直流电源，即使在逆变器能量回馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定。整流/回馈单元的功率部分一般由2个反并联晶闸管桥组成，可在输入端电网和逆变器中间回路之间整流和回馈。 1.2 逆变器 　　逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电机平滑调速的目的。逆变器系统的原理框图如图1所示。 图1 逆变器系统原理况图2、公共直流母线系统的应用2、公共直流母线系统的应用 2、公共直流母线系统的应用 　　济钢三轴滚切式双边剪设计交流调速电机74台，分别由20套调速装置控制。其中双边剪剪切区共有67台交流电机，1台激光划线定位用电机、6台磁力对中定位电机。这些电机均要求工作在频繁起制动状态，且具有良好的调速性能和调速精度，对定位精度有严格的工艺控制。 2.1 方案的产生 　　根据双边剪生产工艺的要求，剪切区辊道担负着输送钢板和控制剪切步长的任务，这就要求辊道电机的工作特性要与夹送辊的工作特性保持一致，具有相同的加速度和线速度。其工作曲线如图2所示。 图2 辊道工作状态示意图 　　由辊道电机的工作曲线可以看出，辊道电机始终工作在启动、制动状态，若双边剪的剪切次数为24次/分，步长设为1.3米，那么t3=2.5秒，t2=1.39秒，t2为钢板运动一个步长所需的时间，那么，系统的制动占空比为：D=t2/2t3 =0.278=27.8%。因此，辊道属频繁起、制动工况，恒力矩负载，并有不规则的负载冲击，制动占空比D可高达27%，对调速装置提出了较高的制动要求。众所周知，转差矢量控制技术很好的解决了调速低频段电机的力矩和宽范围快速调节电机力矩的问题，而且VVVF电压型逆变器很适合多机拖动系统。在辊道传送钢板时，负载惯性大，制动时，从电机大量反馈回直流环节的能量将抬高直流环节电压。处理反馈能量的方法有许多中，最理想的是把电机能量反馈回电网，这种系统不但性能好、运行效率很高，而且运行经济节能、系统技术含量高、运行稳定、维护量大大减小。鉴于以上原因，双边剪剪切区辊道电机传动系统采用西门子公司公共直流母线技术，由一套整流/回馈单元给公共直流母线供电，所有逆变器均挂接在直流母线上，构成一个公共直流母线调速系统。 2.2 系统组成 　　由于剪切区辊道电机较多，根据其工艺控制要求，将电机分组控制，以简化系统配置和系统结构。剪前区辊道分为三组七段，每段有五台电机组成，每段由一台逆变装置驱动；剪后区辊道分为三组六段，前两组每段由五台电机组成，第三组每段由六台电机组成，每段由一台逆变装置驱动。磁力对中装置每台电机由一台逆变器驱动；激光划线装置由一台逆变器驱动。系统配置图3所示： 图3 公共直流母线系统配置图 　　整流回馈单元采用通过自耦变压器的能量反馈方式。在回馈桥和电网间通过自耦变压器将回馈桥的输入电压升高20%，以实现没有电压降的回馈。回馈桥上没有较高电压时，中间回路电压通过相位角变化进行调整，中间回路电压由一个带微处理器的数字调节器自动调节。 　逆变器由中间回路直流电压利用脉冲宽度调制方法（PWM）生成一个交流变频系统，装置由内部闭环电子线路控制，功能由装置软件提供，采用无速度传感器的矢量控制模式。速度给定信号由PLC运算后通过DP网传给每套驱动装置，增加了系统的响应速度和控制精度及系统的抗干扰能力。 2.3 系统的优点 　　公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给，又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。 　　公共直流母线系统设备结构紧凑，工作稳定。在多电机传动系统中省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备，节省了设备占地面积和设备维护量，减少了设备故障点，提高了设备的整体控制水平。 3、结束语 　　在辊道等多电机传动的场合应用公共直流母线技术是辊道调速的一种发展方向，它能在取得较高的动静态性能、调速精度的同时将系统再生能量加以合理利用和回收。该系统投入运行两年来，运行稳定，设备故障停机率几乎为零，系统各项运行指标均满足双边剪复杂生产工艺的要求。公共直流母线技术具有较好的应用推广前景。 参考文献 1． SIMOVERT MASTERDRIVES 整流/回馈单元使用说明书 西门子电气传动有限公司 2． SIMOVERT MASTERDRIVES 逆变器使用说明书 西门子电气传动有限公司