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優利康(Yolico)變頻器負荷共享(共母線)的應用

來源:本站  發布時間 : 2008-09-15

負荷共享的概念:
在多軸聯動的機械系統中,特別是各軸之間由被加工材料相連接時,不同軸的電機則可能處于不同的運行狀態。某臺電機可能是電動狀態,某臺則可能是發電狀態。電動狀態運行的電動機將從其供電裝置吸取電能,而發電狀態的電動機將向其供電裝置輸出電能,這個能量也叫“再生能量”。
我們可以從電機的力矩特性圖上看出這二種運行方式運行在不同的區域。 
從上圖可以看出,當Nx>N0時,電機輸出的力矩與運動方向相反了,輸出力矩成為了制動力,阻礙電機速度繼續上升。行車的主釣鉤帶負載下降時,就工作在這種狀態。這時候,電機的轉速已經大于同步轉速,事實上電機是在被拖著走,電機產生“再生能量”向電網回饋能量,由于回饋電勢的頻率與相位與電網不完全相同,所以在大多數情況下是不允許的。我國現在只允許油田系統可以向電網回饋電能。
傳統意義上的PWM變頻器并沒有設計使再生能量反饋到三相電源的功能,因此所有變頻器從電機吸收的能量都反饋到電解電容中,最終導致變頻器中的直流母線電壓升高。如果變頻器配置了制動單元和制動電阻,變頻器就可以接通電阻,使“再生能量”最終以熱能方式被消耗掉。當然,必須考慮制動單元和制動電阻的功率,并以高頻脈沖方式消耗掉能量,最終能夠保持母線電壓的平衡。
讓我們再來看一看“再生能量”是如何反饋到直流母線上去的。現在大多數變頻器的逆變單元都是采用了IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊,為了保護IGBT,在IGBT的集電極和發射極端都接有反向二極管,如下圖所示。
當電機處于發電狀態時,電機的瞬時端電壓已大于直流母線的電壓,這時IGBT已處于承受反向電壓的狀態,所以IGBT的反向二極管導通,從不同相的二個反向二極管形成回路,對直流母線上的電容形成充電電流,最終使直流母線上的電壓升高。
在多機聯動時,其中的一臺變頻器也可能會工作發電狀態。 
如果這些傳動變頻器通過直流母線互聯的話,一個或多個電機產生的再生能量就可以被其它電機以電動能的形式吸收了。如下圖。
從上圖可以看出,M1、M3處于能量再生的發電狀態,而M2、M4則處于吸收能量的電動狀態。這是一種高效的工作方式,即使有多個部位的電機一直處于連續發電狀態,也不需要再去考慮吸收再生能量的方式。但是,如果需要快速制動或緊急停止,就需加上一套制動單元和制動電阻,以便在動態過渡過程中,釋放掉多余的能量。
剛性連接的二臺電機的運行過程分析:
在許多場合,二臺電機會拖著同一個物體運行。例如行車的大車,有二臺電機分別在兩端拖動大車運行。如下圖所示。
對于這種二臺電機的調速系統的控制,一般有二種形式:一個變頻器拖二臺電機;二臺變頻器各自拖一臺電機。這二種方式各自有什么特點呢?對于第一種方式,如下接線示意圖。
這種方式的優點:二臺電機的頻率給定完全一致,調速方便容易,加減速完全同步;缺點:二臺電機的特性差異造成的轉速誤差無法修整,會造成二臺電機的出力不同,使一臺電機負載較輕,而另一臺電機處于過負荷狀態,最終使過負荷的電機調閘而使系統瓦解。所以,如果要使用這種系統調速,必須選擇二臺電機的特性基本一致。
對于第二種方式,基本接線如下示意圖:
用這種方式工作時,只要調整好二臺變頻器的參數,就能彌補以上的不足。先來看一下由于二臺電機的特性不同,對輸出力矩造成的影響。如下圖所示,如果二臺變頻器的給定一樣,輸出頻率就基本一致(忽略變頻器模數轉換造成的差異),因電機是剛性連接,所以工作速度是一致的,從圖可以看出,特性的差異造成了輸出力矩的不同。
如上圖看出,在同一轉速ne時,電機M2的輸出轉矩T2大于M1的輸出轉矩T1。對于這種出力不一致的情況,有效的解決方法是提高M1(輸出特性軟)的給定頻率,如上圖虛線所示的特性曲線,讓M1 在轉速ne時輸出與M2同樣的力矩,這樣就保證了負荷分配的均勻性。當然,在實際應用過程中,我們無法直接得到電機的特性曲線,所以在實際應用的現場,一般用測量電流的方法來調整頻率。提高輸出電流小的變頻器的輸出頻率,在這個過程中,不斷觀察二臺變頻器的輸出電流,使二臺變頻器的輸出電流達到一致。最后把這個調整量設置到變頻器的b7-01號參數中,最終疊加到給定量中。
注:b7-01:最高輸出頻率額定力矩發生時的滑差量(使特性變軟)
優利康(Yolico)變頻器b7-01號參數—DROOP增益的調整范圍是:0~+100%,在上面所講剛性連接的系統中,我們也可以把特性硬的電機給予一定的DROOP增益,這樣,當電機負荷大時,自動降低輸出轉速,以適應特性軟的電機。自動調整負荷的平衡。事實上,當給予一定的DROOP增益補償后,人為地降低了電機的硬度,使二臺電機的特性趨于一致。
直流母線共享的實驗
為了驗證電機有再生能量時,變頻器的直流母線電壓會升高,而當直流母線共享時,直流母線電壓會被抑制,構建了如下圖所示的系統。
由于系統采用的是同步帶與同步輪,相互之間沒有滑差,所以系統就類似于剛性系統。這個實驗得出的結論也適合于剛性系統。
一,變頻器直流母線非共享時的直流電壓
1,靜止時,二個變頻器的直流母線電壓分別為531V、531V;空載時,M1變頻器給12Hz的頻率,M2變頻器處于停止狀態,直流母線電壓分別為525V、531V;M2變頻器給12Hz的頻率,M1變頻器處于停止狀態,直流母線電壓分別為531V、525V;如下表:
M1、M2都靜止時 M1 12Hz運行
M2 停止 M2 12Hz運行
M1 停止
M1母線電壓 Udc=531V Udc=525V Udc=531V
M2母線電壓 Udc=531V Udc=531V Udc=525V
從以上的數據顯然可以得出一個結論:變頻器空載運行后,直流電壓會略有下降。
2,二個變頻器都給10Hz的頻率運行時,直流母線電壓都為525V。這時,保持M2的頻率不變,M1的頻率慢慢增加,就得到如下的一組數據(單位:V)。
+1Hz +2Hz +2.1Hz +2.2Hz +2.3Hz +2.4Hz +2.5Hz +2.6Hz
M1 525 522 522 522 522 522 522 522
M2 525 549 550 552 571 592 609 627
張力 2.4 3.3 
+2.7Hz +2.8Hz +3Hz +3.1Hz
522 522 522 522
660 700 772 800
5.76 
從上表可以看出,隨著M1的給定頻率逐漸上升,M2由于被M1拖著跑,速度已經大于自身的同步轉速,產生了再生能量,由于沒有接制動電阻,直流母線電壓逐漸上升,檢測到的張力也逐漸上升,當電壓升高的800V時,變頻器跳閘報警過電壓,系統受保護停止運行。另外,我們還可以得出這樣得結論,負載的加重沒有使M1的直流電壓繼續下跌,也可以這樣說,在額定負載下,直流電壓只是比空載時略有下降,并保持恒定。另外,系統運行平穩時,M2產生的反力矩與M1的力矩大小相等,方向相反。如下圖。
我們把直流母線非共享時的直流電壓變化規律總結如下。
若Fm1>Fm2:變頻器M1的直流電壓將下降。(Fm:給定的頻率)
變頻器M2的直流電壓將上升。
如下圖所示。
二,變頻器直流母線共享時的直流電壓
把二臺變頻器的直流母線共享后,重復以上的實驗,仍給M2變頻器12Hz的頻率,再慢慢升高M1的頻率,得到如下的一組數據。
+0Hz +1Hz +2Hz +3Hz +4Hz +5Hz +6Hz 
M1 528 526 527 526 526 523 526 
M2 528 526 527 526 526 523 526 
張力 0 3.9 6.3 7.7 8.8 9.0 
從上表可以看出,由于直流母線共享后,M2的直流電壓不再上升,隨著M1頻率的上升,同步帶的張力逐漸增加,電機的負荷也逐漸上升,系統運行穩定。
從以上的實驗中可以得到,直流母線共享后,可以有效地利用電機地再生能量,抑制了直流母線的電壓,提高了整個系統的效率。在多個電機帶同一個負載的系統中,這是一個有效的解決辦法,在幾個電機的同步運行系統中,也經常采用這種方法。
我們再來關注一下張力數據,從實驗中可以看到,當M1的頻率增加3Hz后,非共享母線時的張力電壓是5.76V,而當共享母線時的電壓為:6.3V。造成這個差異的原因是:直流電壓升高后,整流橋將關斷,無法從電源吸收能量,制動力矩比共享母線時小;另一方面,直流電壓升高后,電動機發生的電能對中間電容的充電電流將減小,制動力矩比共享母線時小。所以會造成共享母線時的張力比非共享時的大。
直流母線共享時的注意點及接入條件
并不是所有的變頻器都能無條件地接入共享母線。以下的說明都是針對優利康(Yolico)變頻器,至于其他品牌的變頻器,參考有關的說明書。
1,定貨時提出要求:直流母線共享。
2,容量≤37Kw:允許直接并聯。
容量≥45Kw:必須加直流母線電抗器。
3,要考慮可控整流的充電時間常數。45Kw及以上功率的變頻器是采用可控整流方式的,如遇到這種情況,要考慮直流共享的接入時間,一般以充電時間常數最長的一臺為準,同時切入到直流共享母線,以減少直流電流的沖擊和很大的環流。
4,盡量避免超過二個等級差異的變頻器接入直流母線,以免用小變頻器的整流部分給大變頻器充電而燒毀小變頻器的整流部分。
5,有條件的話,盡量采用如下的接線方式。 
這是一種符合行業標準的接線方式。
直流電抗器的作用:抑制di/dt,保護整流模塊。如變頻器功率較小,且容量基本一致,又同時上電,可以省掉直流電抗器。
快速熔斷器的作用:保護由于直流端短路而造成的整流塊模塊損壞,一般只有有導電的東西掉進變頻器而造成,所以大多數情況下可以省卻。
6,分散供電時,一定要保障各設備同時上電。
7,系統運行中要保證母線電流不超過各設備自身容量相對應的額定電流。

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