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变频调速中的再生能量回收应用研究

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供稿:中国工控网 2016/5/13 11:55:47

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  • 关键词: 变频调速 再生电能 能量回馈
  • 摘要:从分析变频调速中电机位能性负载或大惯量负载的制动工况下的四象限运行原理入手,以门式起重机为例介绍将变频调速中的再生能量反馈回电网的应用原理及过程。

  变频器驱动异步电动机运行的情况下,当异步电动机运行速度低于变频器提供频率相应的同步转速时,电机工作于电动状态,反之当电机运行速度高于同步转速时,则工作于发电状态。对于容量较小的传动系统,考虑到回收能量的实际价值比问题,通常把这部分能量加电阻方式或定子加直流能耗制动方式消耗掉,但如果对于容量较大的传动系统,基于节能需要,希望能将这部分再生电能进行回收。本文以实例介绍这种工作方式在门式起重机电气调速等方面的应用。

  1 工作原理

   变频调速异步电机适用于起重机的起升机构和大车电气传动机构。由于起升机构具有位能性恒转矩负载特性和大车运行的大惯量负载特点,变频调速一般采用回馈再生制动四象限运行方式,是采用SIEMENS公司的SIMOVERTVC多电机传动变频方案设计的75tX 33.6mA级门式起重机的电机传动变频系统结构示意图。

  图中个组成单元功能及作用如下:

  整流回馈单元由整流桥和逆变桥组成。其主要功能有:为逆变器提供公共直流母线;当电机处于再生工况(制动或吊重下降)而使直流母线电压升高时,将再生能量反馈回电网,从而使系统实现四像限运行。

  SIMOVERTVC逆变器是变频调速的主要部件,其内部逆变桥采用隔离门极双极晶体管(IGBT)功率器件,为全数字电压型PWM调制DC到AC变频装置,它提供了6种开闭环控制方式:

(1)带转差补偿的开环频率控制(V/F特性曲线,用于异步电机单独传动和成组传动)。

(2)高分辨率开环频率控制(V/F特性曲线,频率分辨率:0.001Hz)。

(3)带编码器反馈的开环频率控制(频率闭环,仅用于异步电机单独传动)。(4)无反馈的磁通矢量控制(频率闭环,仅用于异步电机单独传动)。

(5)带反馈的磁通矢量控制(频率闭环,仅用于异步电机单独传动)。

(6)闭环转矩控制(仅用于异步电机单独传动)。

  进线电抗器用于限制电网谐波,减少电网谐波对变频器、整流/回馈单元等装置的影响。电抗器参数与电源的短路功率和装置的视在功率之比有关,当电源短路功率与装置视在功率之比大于50:1时,整流回馈单元采用短路压降为4%的进线电抗器。

  自耦变压器为整流回馈单元工作于回馈制动状态时提供一个高电压加于逆变桥上,该电压为电源电压的1.2倍,有工作系数ED=25%和ED=1OT%两种类型选择。

  变频器的选择一般应从投资、电路结构特性、能耗以及使用便利等方面考虑。与其它通用型变频器方案相比,SIEMENS公司SIMOVERTMASTERDRIVES整流回馈+逆变器多电机传动变频方案具有投资省,电路结构紧凑,没有制动电阻等发热元件等优点。该系统采用进线电抗器和自耦变压器使系统对电网的谐波污染大为降低,并保证电机即使在发电状态也能达到最大转矩;其独特的直流母线供电方式系统内各电机(或电机组)可各自在任意像限运行,并使处于发电状态的电机能量经母线直接供给处于电动状态的电机,大大提高了能量的再生利用率,具有明显的节能效果等一系列优势,是目前起重机变频调速器的理想方案。

  2  容量计算

   在图1所示系统中,变频器容量计算分下面几个步骤:

   第一,逆变器数量确定   

   确定原则为:在满足起重机各机构动作要求的前提下,尽可能减少逆变器的数量,达到节省投资,简化线路的目的。根据各机构动作相关性要求,两台付钩须配两台独立的逆变器,又有主钩和付钩不允许同时工作的限制性条件,因此主钩和一台付钩可以共用一台逆变器,本设计中主钩和右付钩共用一台逆变器,电机的切换由外部接触器实现。为使所选逆变器均为同一尺寸系列,以便于直流母线排的布置和控制柜的制作安装,四台大车电机共选用两台逆变器,采用成组传动方式,这种方式还有一个优点,即当两端大车电机有严格同步要求时,采用SIEMENS公司的同步板(选件)即可实现两端大车的精确同步。

   第二,逆变器容量计算

  对主要用于安装作业的起重机而言,重载、低速起动、零溜钩是其起升电气传动基本要求之一。由于起升电机为典型的位能性恒转矩工况,而电动机在低速时,受其本身损耗的影响,要维持恒转矩输出,即维持磁通不变,其工作电流将大于额定电流,因此,所选逆变器应为SIMOVERTVC型,工作方式设定为带反馈的磁通矢量闭环控制(P163=4),速度闭环采用脉冲旋转编码器。逆变器容量按异步电机单独传动公式计算。

式中:K一电流波形的修正系数,对PWM方式取K=1.05~1.0;Vm一电机额定电压(V);Im一电机额定电流(A);Pcn--逆变器连续工作容量(KW).

  大车电机采用成组传动因此,所选逆变器应为POVERT VC型,开、闭环控制方式设定ww为带转差补偿的开环频率控制(V/F控制、P163= 1),考虑到大车运行属大惯量负载特点,逆变器容量选择应留有一定余地。其容量按异步电机组传动公式计算:

  

   Idc―整流回馈单元额定DC电流,可由SIEMENS产品样本查取;

   K工况系数,与直流母线上各逆变器起动及负载慰问有关,一般为0.8-1.0.

   本起重机各机构工作级别为M5,可取K=0.9

   自耦变压器容量按两台起升逆变器连续下降,大车处于制动工况考虑回馈能量,由于一般电动机在发电状态效率低于电动状态,因此最大回馈能量按变频系统同时工作电机容量考虑即可,按下式计算:

  本机起升机构工作速度较慢,全程下降时间长达10min以上,因此自耦变压器工作系统按ED=100%选择。

  进线电抗器按整流回馈单元输入电流选择其短路电压降Ud=4%


  3  调速与能量回收

  本机的调速控制是有PLC通过CB1(通讯功能板)对逆变器的过程数据“控制字、状态字、设定字、实际值”进行读、写操作实现的,控制字、状态字、设定值的定义参阅SIMOVERTMAS-TERDRIVESVC使用说明书第2册。PLC接受联动台的主令手柄和选择按钮开关信号,经程序处理后将其转变为对逆变器和外围接触器的控制命令,并不断采样逆变器的输出信号“状态字、实际值”,以判断逆变器的工作状态。现以主起升为例描述其控制和调速过程。

  (1)起升阶段。当逆变器处于009(准备开机)状态,且主起升操作允许时,将手柄推向上升(1,23,45挡)PLC令主起升风机工作,同时向逆变器写入对应控制字和设定字,逆变器脉冲释放,电机磁场开始建立,经历磁时间P189后,斜坡函数发生器打开,逆变器以矢量方式输出频率和电压,PLC在延时0.5s后令盘式制动器打开,于是电机开始跟随频率变化作正向匀速运转直至起升手柄挡位对应设定值,此时电机在第一像限运行。当手柄退回零挡,系统便按预设的减速时间作匀减速运行,PLC不断读取逆变器输出“实际值”,当频率降至0. 1Hz时,盘式制动器复位,电机开始制动,频率降为0Hz,逆变器脉冲封锁,斜坡函数发生器关闭,电机停止。

  而风机继续运转,以便进一步散去电机热量,当延时180s(可自行设定)后,风机关闭。其调速过程和机械特性如下:改变操作手柄的挡位即改变逆变器的输出频率f,可以得到一簇以f为参量的平行直线,见图2。在第一像限,设负载转矩为M1,调节频率从f1/f2,工作点将从A→B,只要负载不变,电动机就稳定在B点运行。从图2中还可看出,调速机械特性越硬,即直线越接近水平线,则负载由M1变化到M2引起的转速变化△n越小,由于采用了磁通矢量闭环控制方式和强迫风冷措施,系统具有足够的调速硬度和良好的低频矩特性,即使在0Hz电机也能以额定转矩输出,从而保证重物悬挂空中时松闸再次起动提升不至于发生转矩不够而下滑。调速的平滑性决定于逆变器的频率分辨率,分辨率越高,调速平滑性越佳。

  为防止起重机空中再起升时溜钩,电机起动时制动器的开启要比逆变器滞后若干秒钟打开。电机的磁场和转矩建立需要一定时间,而在停车时使制动器比逆变器提前0. 1Hz关闭是考虑到系统的惯性质量和制动器的延迟效应,防止轻载上窜和重载溜钩,以提高吊装作业的准确性和安全性。

  (2)下降阶段。下降阶段PLC对逆变器及外围电路的控制与上升阶段完全一样,此处着重分析调速过程及其机械特性。轻载(包括空钩)下降时,由于摩擦阻力作用,合成转矩是负值,因此系统在第三像限运行呈强力下降方式电力机仍工作在电动状调节逆变器输出频率从f1→fn,起升电机下降速度由-n1→-n2,如图3所示。

   满载下降时,随着负载的大,合成转矩由负变成正,电机由第三象限自动进入第四像限运行,工作点由A→B,此时系统为再生制动方式,电动机工作在发电状态,见图4。防止起重机下降时超速,电机调速可采用能量回馈再生制动和速度闭环控制,当负载由Mz变为Me时,转速变化值△n较小,可近似认为不受负载大小的影响,即系统在三、四像限具有足够的调速硬度。


  4  结束语

   在本调速系统中,由于存在位能性负载快速下降和大惯量负载经常快速制动产生大量的再生电能,即系统处于发电状态,需要制动单元,采用上述方案能将发电状态的电能返回三相交流电网,且在回馈时配置自耦变压器能使所有电机在发电状态下转速均达到电机的最大转矩,且对电网电压有较好的适应性。



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