变频器共直流母线在重卷机电控系统的应用

2018-06-26刘鹏飞杨晓辉

有色金属加工 2018年3期

刘鹏飞，杨晓辉

(中色科技股份有限公司，河南洛阳 471039)

2015年我公司为佛山某公司配套重卷机组电控系统，设备主要生产300系列、400系列不锈钢，主要为冷轧机焊接引带。设备电力拖动系统为6台交流变频电机，甲方要求优先使用ABB ACS800系列变频器且要求节能环保。

1 项目概述

该重卷机组主体包括开卷机、三辊直头机、焊接机、张力辊组、卷取机等6大部分，其中开卷电机、张力辊电机多数时间都工作在发电状态，交直交变频器从电机吸收的能量都会保存在电容中，最终导致直流电压升高。如果配备制动单元和制动电阻，变频器就可以接通电阻，使电能以热量的方式消耗掉，但是不节能环保；如果采用四象限的交直交变频器，可以把储存的电能再回馈给电网，但是变频器成本很高。

采用共直流母线互连的方法，发电状态的电机就可以把再生的能源通过直流侧母线，给其它电机以电动的方式消耗吸收，这是一种非常有效的工作方式。当设备处于降速或停车状态时，需要再加上1个一定容量的制动单元和制动电阻，以便在停车时把发电产生的能量消耗掉。重卷设备的制动过程对整个生产过程来说很短且不频繁，所以消耗的能量可以忽略不计。

标准的交流多传动方案是1个整流单元带多个逆变器，但是ABB标准的二极管整流单元最小输出功率也有一百多千瓦，针对这种电机数量少、功率小的重卷机设备并不是最佳的解决方案。交直交变频器共直流母线的设计方案，可以实现既经济实惠又环保节能的目标。

2 变频器共直流母线方案设计

2.1 设计方案特点

普通变频器共直流母线方案为电动和发电状态的能量共享，即当系统中任何一台电动机处于发电状态时，其所反馈到直流母线中的能量可以被其它处于电动状态的电动机吸收利用，从而避免能量的浪费。

2.2 原理分析

ABB交直交变频器的逆变单元都是采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块，为了保护IGBT，在IGBT的集电极和发射机端都接有反向二极管。当电机处于发电状态时，电机的瞬时端电压已大于直流母线的电压，这时IGBT已处于承受反向电压状态，所以IGBT的反向二极管导通，从不同相的两个反向二极管形成回路，对直流母线上的电容形成充电电流，最终使直流母线上的电压升高。但是，在机列联动时，大部分电机还是处于电动状态，如果把这些变频通过直流互连，发电状态的电机产生的再生能量就可以被电动状态的电机以电能形式吸收。

2.3 方案详细设计

目前交直交的变频器共直流母线有两种方案(图1)，一种是多个变频器连到供电母线上，第二种是把最大的变频器接到供电母线上，其它变频器只是共直流母线。设备工艺、电机功率不一样，设计方案也不一样。

图1Fig.1

该重卷设备分为6大部分，共有5台交流变频电机，开卷机电机功率55kW，电流102A，电压380V，变频器型号ACS800-01-0060-3；三辊直头机电机功率7.5kW，电流29A，电压380V，变频器型号ACS800-01-0011-3；卷取机电机功率90 kW，电流195A，电压380V，变频器型号ACS800-01-0135-3(R6)；入口和出口张力辊电机(各1台)功率37 kW，电流74A，电压380V，变频器型号ACS800-01-0050-3。

如果按照正常的工艺要求生产，工作在电动状态下的电机分别是卷取机和三辊直头电机；工作在发电状态下的电机分别是开卷机、张力辊入口电机和张力辊出口电机。

根据公式计算整流功率，Pn≥1.1∑Pmotor-0.9∑Pgen=1.1×(90+7.5)-0.9×(37+37+55)=-8.85。考虑特殊情况下，如果开卷机张力大于卷取机张力，张力辊会工作在电动状态。根据公式计算整流功率，Pn≥1.1∑Pmotor-0.9∑Pgen=1.1×(90+7.5+37+37)-0.9×55=139.15。多数情况下，开卷张力会小于卷取张力，S辊工作在电动状态是极端情况；或者当S辊转动惯量比较大，在机列加速过程中，S辊也可能会工作在电动状态，但是时间很短，所以考虑到特殊情况，卷取机推荐使用ABB ACS800-01-0135-3。