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一、序言
近年來，節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成全球共識。節(jié)能降耗，構(gòu)建節(jié)約資源型、環(huán)境友好型社會已是當(dāng)今社會發(fā)展的一個(gè)永恒的話題[1]。在制造業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械裝備綠色性能的優(yōu)劣將直接決定產(chǎn)品制造過程對環(huán)境的影響，能源和資源的利用率是其主要考核指標(biāo);變頻調(diào)速是目前公認(rèn)的理想的節(jié)電調(diào)速技術(shù)，其已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種調(diào)速系統(tǒng)中。在激烈的市場競爭中，發(fā)展綠色變頻器已經(jīng)成為各變頻器廠家創(chuàng)新的重點(diǎn)。
在硬件設(shè)計(jì)電路中，通用型PWM變頻器并沒有將再生能量回饋到交流輸入電源的功能，因此當(dāng)電機(jī)制動時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，導(dǎo)致變頻器中的直流母線電壓升高，這部分升高的直流電壓使變頻器從電機(jī)吸收的能量保存在主回路的電解電容中[2]。由于電解電容的耐壓值和容量限制，其不可能無限制的存儲能量，為保證變頻器主回路器件的安全性，變頻器必須配備制動回路和制動電阻，當(dāng)母線電壓升高到一定電壓值時(shí)，通過短時(shí)間接通制動電阻，變頻器將這部分升高的電能以熱能的方式消耗掉。所以在設(shè)計(jì)變頻器的主回路時(shí)，必須根據(jù)負(fù)載電機(jī)的功率及扭矩值，通過詳細(xì)的計(jì)算及冗余設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)出滿足使用要求的制動單元，并以熱損耗的方式消耗電能，保持母線電壓的穩(wěn)定。這種制動單元+制動電阻的工作方式其實(shí)是能量的一種巨大浪費(fèi)。[2]
如果一個(gè)機(jī)械設(shè)備有多個(gè)傳動變頻器，采用能耗制動方式所帶來的浪費(fèi)是巨大的。但是將多個(gè)變頻器的直流母線互連，這樣就可以在一個(gè)或多個(gè)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)將電機(jī)產(chǎn)生的再生能量傳給其他電動狀態(tài)的電機(jī)吸收使用了。在共用直流母線的工作方式下，如果還需要更快的制動能力或緊急停止，那么就需要額外選配一個(gè)制動單元和制動電阻，以便將系統(tǒng)中多余再生能量通過制動電阻消耗掉，針對頻繁制動的場合，可以通過回饋裝置將直流母線上升高的電壓回饋到電網(wǎng)中。[3]
二、公共直流母線控制系統(tǒng)的組成！
公共直流母線是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及不斷創(chuàng)新的控制理論而的產(chǎn)生的。公共直流母線技術(shù)的原理是基于通用變頻器均采用的交-直-交變頻方式，在交流輸入電壓值相同的情況下，整流出直流母線電壓值也是相同的。根據(jù)變頻器主回路硬件實(shí)現(xiàn)的功能，可分解為控制單元、整流/回饋和逆變單元3大部分。為了降低系統(tǒng)對電源質(zhì)量的要求，通常由一個(gè)或數(shù)個(gè)單相限或四象限整流器構(gòu)成整流回饋單元，逆變部分也可以有單臺或者多臺逆變器構(gòu)成，整流單元和逆變單元通過公共直流母線連接起來[3]。
圖1變頻器的交-直-交控制原理圖
公共直流母線技術(shù)的優(yōu)勢在于[5]：
a.公共直流母線技術(shù)的應(yīng)用可以大大減少重復(fù)配置制動單元，硬件組成簡單合理;
b.公共直流母線可以減少交流輸入器件的成本，如交流輸入電抗器、接觸器等;
c.恒定的直流母線電壓，可實(shí)現(xiàn)可控的直流電壓，實(shí)現(xiàn)預(yù)充電功能;
d.系統(tǒng)中各電動機(jī)在不同狀態(tài)下工作，從再生制動回收能量，提高了系統(tǒng)效率，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)特性;
e.由于器件的減少，減少可電控柜的尺寸;
f.提高多傳動控制系統(tǒng)的可靠性。
2.1整流/回饋單元
整流/回饋單元的主要功能是把三相交流輸入電源轉(zhuǎn)換為電壓值恒定的直流電源，還可以通過創(chuàng)新的電源能量回饋功能，可以把電動機(jī)的制動能量回饋到電網(wǎng)中，并保持直流母線電壓在規(guī)定范圍內(nèi)保持恒定，一般由2組反并聯(lián)的可控硅模塊組成其功率部分，通過可靠的控制算法，可實(shí)現(xiàn)電能在三相交流輸入電源和逆變器中間回路之間的整流和回饋，其原理示意圖見圖2。[4]
圖2整流/回饋單元原理圖
2.2逆變模塊
逆變模塊的功能是通過先進(jìn)的控制理論和PWM斬波技術(shù)，把直流電壓轉(zhuǎn)化為三相交流電源，且電壓和頻率可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的目的。逆變器系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示[4]。
圖3逆變單元原理圖
三、公共直流母線系統(tǒng)的方案研究及特點(diǎn)
公共直流母線系統(tǒng)按照能量回饋的有無可以分為回饋型和無回饋型兩大類：帶有回饋單元的系統(tǒng)可將再生能量回饋至電網(wǎng)，適合于電機(jī)制動頻繁且制動功率大的場合進(jìn)行應(yīng)用;無回饋型系統(tǒng)通過公共直流母線將系統(tǒng)中的變頻器互聯(lián)到一起，再生能量被電動狀態(tài)的電機(jī)吸收利用，為了保證系統(tǒng)的安全性及制動效果，需要通過加裝功率和阻值合適的制動單元和制動電阻將可能出現(xiàn)的多余能量以熱量的形式耗散掉。在一些不需要頻繁制動的多傳動系統(tǒng)，這種無回饋功能的公共直流母線方案具有更高的性價(jià)比。目前，主要幾種共直流母線技術(shù)方案如下[5]。
3.1公共直流母線技術(shù)方案1
在該方案中，每臺變頻器仍舊采用傳統(tǒng)的交流供電方式，無需額外的整流單元，變頻器直流側(cè)并聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)變頻器之間的能量傳遞。這種方案適用于系統(tǒng)中的變頻器功率等級相近的情況，即使斷開直流母線后每個(gè)變頻器還可以獨(dú)立使用，互不影響[7]。該方案具有以下特點(diǎn)：
•當(dāng)發(fā)電能量高于電動能量時(shí)，仍然需要能耗制動方式，消耗多余能量;
•只允許同功率等級的變頻器直流并接;
•多余的再生能量無法回饋至電網(wǎng);
•只能使用常規(guī)6脈波整流，5、7次諧波較高，無法配置12脈波系統(tǒng);
•根據(jù)制動功率來加裝制動電阻。
此方案可以應(yīng)用于離心機(jī)的公共直流母線改造，實(shí)際應(yīng)用中很重要的一點(diǎn)就是整個(gè)系統(tǒng)工作時(shí)必需充分考慮到交流輸入主回路的保護(hù)、所有變頻器的時(shí)序控制及安全互鎖、系統(tǒng)故障處理、負(fù)載類型等。
圖4公共直流母線技術(shù)方案1原理圖
隨著機(jī)械設(shè)備復(fù)雜性的不斷增加，為了解決通用變頻器再生能量的回饋處理，提高器能量利用效率，在多電機(jī)傳動系統(tǒng)中引入的公共直流母線技術(shù)，在保證交流調(diào)速控制系統(tǒng)的恒定母線電壓時(shí)，將系統(tǒng)的再生能源回饋到電網(wǎng)，取得非常好的節(jié)能效果
3.2公共直流母線技術(shù)方案2
該方案采用獨(dú)立的二極管整流橋設(shè)計(jì)成整流單元，給所有變頻器統(tǒng)一供電，這種方案的特點(diǎn)在于：
•整流部分可以根據(jù)需要配置成12脈波整流方式，消除5、7次諧波，降低諧波對電網(wǎng)的干擾;
•不同功率等級的變頻器可以共用直流母線;
•整流部分采用傳統(tǒng)的交直變換方式，動力配置簡單;
•為了避免大電流對變頻器內(nèi)部器件的沖擊，須配置預(yù)充電回路;
•不同的工作狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)變頻器之間能量傳遞;
•由于采用不可控的整流電路，多余的再生能量仍然無法回饋至電網(wǎng)，為了實(shí)現(xiàn)能量回饋，需要單獨(dú)配置回饋單元;
•須加裝功率匹配的制動單元/制動電阻。
在造紙機(jī)械設(shè)備中要用到很多導(dǎo)紙輥傳動電機(jī)，由于其會頻繁的工作在制動狀態(tài)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到再生制動問題，如果單獨(dú)對每個(gè)變頻器配置制動單元和制動電阻，就會造成控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而采用共直流母線技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)紙輥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢顯而易見：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單;能量互補(bǔ);減少故障點(diǎn);提高系統(tǒng)的可靠性;降低成本。
圖5公共直流母線技術(shù)方案2原理圖
3.3公共直流母線技術(shù)方案3
該方案設(shè)計(jì)中使用可控硅整流橋?yàn)橹绷鞴╇妴卧?，通過對可控硅導(dǎo)通角的控制，達(dá)到直流母線電壓可控，并起到預(yù)充電的作用。該方案的應(yīng)用特點(diǎn)如下：
•整流電路可以根據(jù)系統(tǒng)要求配置成12脈波整流單元;
•不同功率等級的變頻器可共用直流母線;
•可控硅整流橋需要調(diào)試;
•需要配制動電阻/或回饋單元;
•單象限整流控制方式，無回饋功能。
輪胎龍門吊在集裝箱下放過程中和大車、小車制動過程中，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，勢能轉(zhuǎn)換成的電能無法回饋到電網(wǎng)，因此剩余的電能只能通過直流側(cè)的制動單元流向制動電阻，變成熱能而消耗掉，造成極大的能源浪費(fèi)，而通過采用共直流母線技術(shù)和安裝單相限可控整流及能量回饋裝置可以將這部分再生能量返回電網(wǎng)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的能耗，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。
圖6公共直流母線技術(shù)方案3
3.4公共直流母線技術(shù)方案4
該方案采用四象限全控整流方式，前面介紹的幾種單相限變頻器器主要問題是整流電路的器件無法實(shí)現(xiàn)全控，能量無法回饋到電網(wǎng)，而該方案真正實(shí)現(xiàn)了整流及再生回饋功能，該方案具有以下特點(diǎn)：
•采用可控硅作為整流器件，直流母線電壓可控，實(shí)現(xiàn)對電解電容的預(yù)充電作用;
•根據(jù)設(shè)計(jì)要求，整流電路可以設(shè)置成12脈波整流系統(tǒng)，降低5、7次諧波;
•不同功率等級的變頻器可共用直流母線;
•具有回饋功能可以實(shí)現(xiàn)大的再生容量;
•直流側(cè)的輸出受器件所限容量有限;
•可控整流及能量回饋高動態(tài)響應(yīng)，直流母線電壓不受負(fù)載波動影響;
圖7公共直流母線技術(shù)方案4
以上列出了4種共直流母線技術(shù)方案，并對每種方案的特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。正如本文之前的介紹，公共直流母線技術(shù)是解決多電機(jī)傳動技術(shù)的最優(yōu)方案，在相同的傳動系統(tǒng)中由于不同的時(shí)間內(nèi)每個(gè)變頻器都會處在不同的工作狀態(tài)，而共直流母線技術(shù)解決了電機(jī)的發(fā)電和電動狀態(tài)實(shí)現(xiàn)能量相互轉(zhuǎn)換的問題。系統(tǒng)中的整流回饋單元所具有的整流和回饋功能，不但為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的直流電壓供給，還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)充電功能，又將再生能量回饋給電網(wǎng)，提高了系統(tǒng)效率[2]。
采用公共直流母線技術(shù)的多傳動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加緊湊，且由于減少了多余的整流和制動單元，減少了設(shè)備故障點(diǎn)，提高了設(shè)備的可靠性。[7]
4、結(jié)束語
公共直流母線技術(shù)目前已經(jīng)在起重機(jī)、輥道、離心機(jī)等多電機(jī)傳動的場合得到廣泛的應(yīng)用，是變頻調(diào)速系統(tǒng)的一種創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用表明這種方式比傳統(tǒng)的能耗制動方式節(jié)能進(jìn)25%，它在提高系統(tǒng)的動態(tài)性能的同時(shí)可以將制動產(chǎn)生的能量回饋至電網(wǎng)，提高了能量利用率,應(yīng)用前景十分廣闊，并且由于系統(tǒng)中減少了能耗電阻，電控柜的溫升也極大的降低，設(shè)備因熱故障停機(jī)的比率幾乎為零。公共直流母線技術(shù)具有較好的應(yīng)用推廣前景。