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      解決方案

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      能量回饋裝置在離心機上的應用

      能量回饋裝置在離心機上的應用

      一、引言

      在化工企業電氣傳動中,離心機的變頻傳動應用非常普遍,由于工藝和驅動設備的各種原因,再生能量的現象經常發生,在通用變頻器中,對再生能量最常用的處理方式有兩種:(1)耗散到直流回路中人為設置的與電容器并聯的“制動電阻”中,稱之為動力制動狀態;(2)使之回饋到電網,則稱之為回饋制動狀態(又稱再生制動狀態)。直流共母線的原理是基于通用變頻裝置均采用交-直-交變頻方式,當電機處于制動狀態時,其制動能量反饋到直流側,為了更好的處理反饋制動能量,人們采用了把各變頻裝置的直流側連接起來的方式。譬如當一臺變頻器處于制動而另一臺變頻器處于加速狀態,這樣能量可以互補。本文提出了一種通用變頻器在化工企業離心機中共直流母線的方案,并闡述了其在離心機上回饋單元的進一步應用。

      目前直流共母線有多種方式:

      (1)公用一個獨立的整流器 該整流單元可以是不能逆變,也可以是可逆變的。前者能量通過外接制動電阻消耗掉,后者可以充分地將直流母線上的多余能量直接反饋到電網中來,具有更好的節能、環保意義,缺點是價格比前者要高。

      (2)大變頻單元接入電網 小變頻器公用大變頻器的直流母線,小變頻器不需接入電網,故也不需要整流模塊,大變頻器外接制動電阻。

      (3)每個變頻單元各自接入電網 每個變頻單元均帶有整流、逆變回路并外接制動電阻,直流母線相互連接起來。這種情形多用于各變頻單元功率接近的情況。解體后還可以獨立使用,互不影響。 本文介紹的直流共母線為第三種方式,相比前兩種有很大優勢:

      a、共用直流母線可以大大減少制動單元的重復配置,結構簡單合理,經濟可靠。

      b、共用直流母線的中間直流電壓恒定,電容并聯儲能容量大,能減少電網的波動。

      c、各電動機工作在不同狀態下,能量回饋互補,優化了系統的動態特性。

      d、各個變頻器在電網中產生的不同次諧波干擾可以互相抵消,減少電網的諧波畸變率。

      二、改造前變頻調速系統方案

      2.1離心機控制系統介紹

      改造的離心機共12臺、每臺控制系統都是一樣。變頻器為艾默生EV2000系列22kW,恒轉矩型,回饋單元皆為加能的IPC-PF-1S回饋制動單元,所有控制系統集中八臺與此類似。系統圖如圖1所示。

       



      圖1 改造前變頻器及制動單元系統原理圖

      由圖1可知,每一臺變頻器需要一臺回饋制動單元,各自的控制系統完全獨立,

      2.2剎車時制動工作分析

      當離心機剎車時,電動機將處于再生發電制動狀態,系統中所儲存的機械能經電動機轉換成電能,通過逆變器的六個續流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態。這時,如果變頻器中沒采取消耗能量的措施,這部分能量將導致中間回路的儲能電容器的電壓上升,此時電容的直流母線電壓抬升,當升至680V時,制動單元開始工作,即回饋多余的電能到電網側,此時單臺變頻器直流母線電壓維持在680V(有的690V)以下,變頻器不至于報過電壓故障。單臺時變頻器制動單元剎車時的電流曲線如圖2,剎車時間為3分種,測試儀器為FLUKE 43B 單相電能質量分析儀,分析軟件為《FlukeView Power Quality Analyzer Version 3.10.1》。
       


       

      圖2 制動單元工作時的電流曲線

      由此可見每次剎車時,制動單元必然工作,最大電流達27A。而制動單元的額定電流為45A。顯然制動單元處于半載狀態。

      三、改造后變頻調速系統方案

      3.1共直流母線的處置方法

      采用共用直流母線很重要的一點就是上電時必需充分考慮到變頻器的控制、傳動故障、負載特性和輸入主回路維護等。該方案包括3相進線(堅持同一相位)、直流母線、通用變頻器組、公共制動單元或能量回饋裝置和一些附屬元件。 對于通用變頻器而言,圖3所示為在其中一種應用比較廣泛的方案。選用第三種改造方案后的主電路系統圖如圖3,圖3中空氣開關Q1至Q4是每個變頻器的進線保護裝置,KM1至KM4為每臺變頻器的上電接觸器。KMZ1至KMZ3為直流母線的并聯接觸器。1#、2#離心機共用一個制動單元,組成一組,3#、4#離心機共用一個制動單元,組成一組,當兩組都正常時可以并接在一起。同時也是基于現場操作工人的工作時序,1#、2#離心機不同時剎車,3#、4#離心機不同時剎車。正常工作時一般為兩臺離心機1#、3#為一組,2#、4#為一組,四臺離心機一般不會同時剎車。由于實際工作現場的復雜環境往往會導致電網的動搖并發生高次諧波。也可用于增加電源阻抗并協助吸收附近設備投入工作時產生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰,從而最終維護變頻器的整流單元。每臺變頻器也可以使用進線電抗器來有效地防止這些因素對變頻器的影響。本項目改造中由于原設備沒有裝進線電抗器,故并沒有畫出進線電抗器及其他諧波治理裝置。
       


      圖3 改造后變頻器及制動單元系統原理圖

      3.2控制系統的方案 控制線路如圖4,四臺變頻器上電后,每臺變頻器運行準備好后,設置變頻器故障繼電器輸出端子的輸出選項為“變頻器運行準備好”,只有變頻器上電,并且正常以后,才可以并接在一起,如任意一臺有故障,直流母線接觸器就不吸合。變頻器故障繼電器輸出端子TA、TC為常開觸點,上電后變頻器“變頻器運行準備好”,各變頻器的TA、TC吸合,直流母線并聯接觸器依次吸合。否則接觸器就斷開。
       

      圖4 改造后的制動單元并聯控制原理圖

      3.3該方案特點

      (1)使用一個完整的變頻器,而不是單純的整流橋加多個逆變器方案。

      (2) 不需要有分離的整流橋、充電單元、電容組和逆變器。

      (3)每一個變頻器都可以單獨從直流母線中分離進去而不影響其他系統。

      (4)通過連鎖接觸器來控制變頻器的DC共用母線的聯絡。

      (5)連鎖控制來保護掛在直流母線上的變頻器的電容單元。

      (6) 所有掛在母線上的變頻器必需使用同一個三相電源。

      (7) 變頻器故障后快速地與 DC 母線斷開以進一步縮小變頻器故障范圍。

      3.4變頻器主要參數設置

      運行命令通道選擇 F0.03=1 最高操作頻率設定 F0.05=50 加速時間1設定 F0.10=300 減速時間1設定 F0.11=300 故障繼電器輸出選擇 F7.12=15 AO1輸出功能 F7.26=2 3.5改造后的測試數據 停車時進線電壓: 3PH 380VAC 母線電壓: 530VDC 直流母線電壓: 650V 當一臺升速時,母線電壓降低,此時另一臺降速,直流母線電壓在540~670V波動,制動單元在此時沒有開啟,制動單元一般工作的DC電壓為680V如圖5測試分析。

      圖5 改造后的制動單元工作電流監視圖

      四、節能分析

      回饋制動單元相比電阻能耗制動本身就是一種節能的應用,可是要求每臺變頻器需要剎車時配用一臺制動單元。必然要求有幾臺變頻器就得配幾臺制動單元,而制動單元的價格和變頻器價格相差不大,工作持續率卻不是很高。共用直流母線變頻器驅動在離心機上的廣泛應用,較好的解決了當一個變頻器升速,另一個變頻器剎車時,均衡了“一個吃不飽、一個吃的吐”,的問題,該方案減少了制動單元的重復設置,降低了工作次數的,也減少了對電網的干擾次數,提高了電網的電能質量。在減少設備投入,增加設備使用率,節約設備、節能方面有特別重要的意義。

      五、結束語

      通用變頻器共用直流母線的廣泛應用,較好的解決了電能消耗與電能回饋時間段不同步這個問題,對減少設備投入、降低電網干擾和提高設備利用率有特別重要的意義。

      參考文獻

      [1] 艾默生EV2000變頻器中文技術手冊.艾默生網絡能源有限公司.

      [2] IPC電能回饋和電阻制動單元用戶手冊.深圳加能公司.

      [3] 杜金城.電氣變頻調速設計技術[M].北京:中國電力出版社,2002.

      [4] 仲明振,趙相賓.低壓變頻器應用手冊[M].北京:機械工業出版社,2009.

      作者簡介

      白獻剛(1979-) 男 ,電氣工程及其自動化專業,現任職于石藥集團維生藥業(石家莊)有限公司電氣管理。

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