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共直流母线方案

日期: 2015-03-20
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一、设计共直流母线方案的原因
在同一个电力拖动系统中的一个或多个传动有时会发生从电机端发电得到的能量反馈到传动的变频器中来,这种现象叫“再生能量”。这种情况一般发生在电机被拖着走的时候(也就是被一个远远高于设定值的速度拖动的时候),或者是当传动电机发生制动以提供足够的张力的时候(如放卷系统中的传动电机)。
  传统意义上的PWM变频器并没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能,因此所有变频器从电机吸收的能量都会保存在电解电容中,最终导致变频器中的母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻,变频器就可以通过短时间接通电阻,使电能以热方式消耗掉。当然只要充分考虑到制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率就可以来设计合适的制动单元,并以连续的方式消耗电能,最终能够保持母线电压的平衡。这种制动单元的工作方式其实就是消耗能量的一种。可以设计既能保持母线电压恒定,且能利用回馈能量的装置,共直流母线可以实现这个功能。
二、目的和基本原理
如果有多个传动变频器通过直流母线互连的话(连接方式见图10-3),一个或多个电机产生的再生能量就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收了。节能效果显著。这是一种非常有效的工作方式,即使有多个部位的电机一直处于连续发电状态,也不用再去考虑其他的处理再生能量的方式。在这种方式下,如果还需要一个更快刹车或紧急停止的状态的话,那就需要再加上一个一定容量的制动单元和制动电阻以便在非常时刻起作用。当然变频器配置能量回馈装置就可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来。
说到共直流母线,得先了解变频器整流逆变各个部分怎么工作:下图左半部分交直回路为不可控整流桥,采用电压源控制方式;中间直流环节用大容量电容构成直流电压源,当然直流母线两侧配置制动单元;右半部分为驱动控制逆变装置。
三、共直流母线存在的问题及难点
在实际的生产活动中,多台变频器联机实现的生产装配线,有的电机是处于电动状态,需要消耗变频器经整流桥提供的直流电源;有的电机处于发电状态,比如放卷系统中的传动电机,电梯下落减速过程等,那么回馈能量经逆变器回到母线上。那么把多台变频器直流母线并联,回馈到母线上的能量会用到处在电动状态的电机上,实现能量的充分利用。这个过程原理简单,但是实现起来会遇到许多实际的问题和难点。
由下图A、B、C变频器举例:
三台变频器共直流母线,且变频器功率大小不一样。设Wa=75kW、Wb=30kW、Wc=1.5kW,此时A处于电动状态,B、C处于发电状态,此时B、C整流桥不用提供直流母线电源,且有回馈能量到A,A整流桥只需要提供部分电动能量不用75kW的电动能量。这样系统可以完好的运行下去,没什么影响。但是当B由于生产需要突然由发电状态转换成电动状态时,此时不能保证B电源由B整流桥提供,B母线可能会从A、C母线得到电源,设若都从A得到电源,此时B处于电动状态了,不提供A回馈能量了,A母线不仅得不到B提供的发电能量,还要提供B的电动能量,那么A的整流桥可能会超负荷运行,会导致严重的后果,甚至炸机。设若此时A、B能量都从C变频器那里得到,这也是有可能的,那C机整流桥不可能承受的起这么大的负荷,炸机是肯定的。如果仅仅是C机和A机共直流母线,那么由A机整流桥完全可以提供A、C电动所需消耗的能量,因为C机的额定功率远低于A机。
所以这里存在变频器整流桥承受多大功耗的问题,但是一台变频器太大的整流桥安装生产有难度。

共直流母线方案

图 1

四、解决系统方案:
直流母线,多台共直流母线变频器由一个大功率整流桥提供直流母线电源,整流桥功率等级为所有电动电机功率之和,这样就不存在整流桥超负荷运行炸机现象。存在缺点是整流桥功率太大生产实现有点困难。
R、S、T三相电输入端加均衡电抗器共直流母线,那么多台电机处在电动状态的时候,不会由一台变频器提供直流母线能量,原因在于加在R、S、T三相电源输入口的均衡电抗器电阻有大小,通过的电流也有大小,各变频器实现各自供给直流母线能量,且在某些电机处在发电状态时,充分利用回馈能量。难点是均衡电抗器配置成本。
变频器直流母线端配置能量回馈装置,就可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来。
 


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