变频技术：共用直流母线技术

1、变频技术：共用直流母线技术变频技术 : 共用直流母线共用直流母线分为两种 : 共用直流均衡母线和共用直流回路母线。共用直流均 衡母线是将多台变频器的直流母线回路并联在一起 ( 变频器本身设计有外接的直流 母线输出端子 ) ，达到共用直流母线的方式。每台变频器和共用直流母线之间可以 加装电抗器、快速熔断器和接触器等，这一部分是变频器以外的部分，电气设计人 员可以根据实际需要进行设计。共用直流回路母线方式是将多台逆变器连接到同一 个公共的直流回路上。共用直流母线特点 :1 节能: 电机制动时回馈的能量可以被利用，所以比较节能，特别是对油田磕 头机、起重机等升降设备而言更具有节能优势2 设备功率因素

2、较高 : 因电机能够回馈能量，无功功率损失小，所以设备功率 因素较高，达 95%以上 ;3 瞬间停电不一定导致变频器跳闸停机 : 这是因为一些设备在瞬间停电时可能 正处于制动 ( 发电、回馈能量状态 ) ，所以瞬间停电干扰对设备的影响就没有那么大4 电网谐波较低 : 共用直流母线平衡了变频器的直流母线电压，设备启动、停 止时对电网的冲击也低 ;5 可以急降速 : 不存在制动电阻消耗能量，因为电机在停机时成了发电机，能 量回馈到直流母线上了 ;6 允许频繁起动操作 : 因为有共用直流母线的存在，设备启动、停止时对电网 和电气设备的冲击也减小了，因此允许频繁起动操作7 多台变频器不需相同的额定功率

3、 : 各电机也不需相同功率，但差别不要过 大，最适合比例连动控制 ;8可以驱动三相永磁同步电机。对于一般的系统集成商来说，采用的共用直流母线方式都是共用直流均衡母线 方式。因为这种方式对于设计人员来说更加方便 ：因为采用了成品变频器，就比较 容易设计外围电路、功能强（变频器本身具有比较强的功能）、采购方便、安装/维 修方便等。对于专业制造厂家或其他场合而言，可能用到共用直流回路母线方式要多一 些。因为这种方式采用了 1个整流器和多个逆变器，成本更低。但功能相对较弱 （单独的逆变器和变频器相比，功能终究要弱一些 ），而且采购、安装/维修可能也 没那么方便。F面详细说明一下共用直流均衡母线和共用直

4、流回路母线的定义和异同点共用直流均衡母线：下面是在施耐德ATV71系列变频器的直流母线应用方式：几个变频器并联连接在直流母线上：应用时建议将几个变频器并联连接在直流母线上，因为必须保证电机的全部功率。每个变频器使用各自的充电电路。1在工业电气传动中，由于工艺和驱动设备的各种原因，再生能量的现象经常发 生，在能量回收系统中有着各种方法，下面提出一种通用变频器在大型生产线中共 直流母线方案，并阐述了其在离心机、化纤设备、造纸机上的进一步应用。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

5、 （ 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。如果有

6、多个传动变频器通过直流母线互连的话，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。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，当然采用能 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。通用变频器共用直流母线的方案对于通用变频器而言，采用共用直流母线很重要的一点就是在上电时必须充分 考虑到变频器的控制、传动故障、负载特性和输入主回路保护等。图一所示为在其 中一

7、种应用比较广泛的方案。该方案包括 3相进线（保持同一相位 ）、直流母线、通 用变频器组、公共制动单元或能量回馈装置和一些附属元件。E E|n-rr;hl1-;王，图通用变频器共直流母线方案该方案特点：(1) 使用一个完整的变频器，而不是单纯使用传统意义上的整流桥加多个逆变 器方案；(2) 不需要有分离的整流桥、充电单元、电容组和逆变器(3) 每一个变频器都可以单独从直流母线中分离出来而不影响其他系统(4) 通过连锁接触器来控制变频器的 DC到共用母线的联络;(5) 快熔来保护挂在直流母线上的变频器的电容单元(6) 所有挂在母线上的变频器必须使用同一个三相电源。图中QF是每个变频器的进线保护装置

8、，它应该采用带辅助触点的空气开关, 这主要是因为直流接触器MC的接通必须同时满足QF的辅助触点闭合和变频器运行 状态正常这两个条件，否则 MC就断开。LR为进线电抗器，由于实际工作现场的 复杂环境往往会导致电网的波动并产生高次谐波，使用进线电抗器就能有效地避免这些因素对变频器的影响，也可用于增加电源阻抗并帮助吸收附 近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰，从而最终保护变频器的整 流单元。LR的选型原则可选用与变频器同功率的即可。为确保变频器上电后顺利地挂上 DC母线，或是在变频器故障后快速地与 DC母 线断开以进一步缩小变频器故障范围，使用在该场合的变频器必须要有信号 24VDC 或

9、干触点信号输出，其输出信号至少包括：(1)READY信号：该信号输出有效则表示 变频器无故障，母线电压正常，可以接受启动命令 ;(2)FAULT 信号：该信号输出表 示变频器故障。FU为半导体快速熔断器，额定电压通常可选 700VDC如Bussman的FWP系列 或Gouldshawmut的A70P系列，额定电流必须考虑到驱动电机在电动或制动时的最 大能量，一般情况下可以额定负载的 125%电流即可。MC为2P直流接触器，如 ABB的 EHDBS列，额定电压650VDC其额定电流同样须根据驱动电机制动时的最大电流来定，一般情况下可以选额定负载的120%电 流。用直流母线的应用通用变频器的共用直

10、流母线方案目前已经在工业领域的很多机械设备上得到广 泛应用，不仅整机 (设备加电气 )故障率低，而且能最大程度地节能，更具有环保的 意义。1 离心机卧螺离心机用双电机驱动 (如图下所示 ) ，与主动件相连的电机处于电动机工作 状态为主电机，与从动件相连的电机由于转鼓差速的作用始终处于发电机状态的为 副电机。该传动方式早在 60年代已应用于实验室，但这种传动方式几十年来没有 在工业上获得广泛应用，究其原因 ： 关键在于副电机再生的电能在当初的技术条件不能合理利用。所以大多数情况下，卧螺离心机的副电机都被取消，而安装了涡 流制动器。图共用直流母线方案在离心机上的应用随着电力电子技术的快速发展，近年

11、来变频器的性能价格比大大提高，母线 共连的方案也日趋成熟，国内有很多离心机厂家都在探索双电机双变频器的驱动方 案，目前南京绿洲机器厂、海申机械总厂等在卧螺离心机已经广泛应用了双变频方 案。在该方案中，主、副电机各用一台普通变频器驱，直流母线用适当的方式并 接，较好的解决副电机持续发电的问题。它的应用，在能源日益紧缺的今天，有着 特别重要的意义。2化纤后纺设备化纤后纺设备通常包括四个主要的传动电机，既一道、二道、三道牵伸和卷曲，它们需要同步运行。在同步时，一道牵伸M1和二道牵伸M2为保持一定牵伸比 必须处于发电状态，而三道牵伸 M3和卷曲M4则处于电动状态。由于 M1和M2发电 是由于3道牵伸的

12、电动所引起的，该2台电机所产生的回馈能量足以消耗到处于电 动状态下的M3和M4中，而不会引起直流回路母线电压的升高，这样通过图三接线 就可以基本上解决再生能量的制动问题，从而使系统始终处于比较稳定的状态。图 三的接线中，能量传递的公式为：P0=P3 + P4 - P1 - P2 。很显然，母线共连方案 将大大降低能量损耗。图共用直流母线方案在化纤设备上的应用化纤后纺设备采用共用直流母线的控制方式，具有以下特点a.共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可 靠。b.共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大C.各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态

13、特性3造纸机在纸机上要用到很多导纸辊传动电机，由于导纸辊经常会工作在制动状态，这 时就必须考虑到再生能量的问题，如果对于每个传动配置一个制动单元或能量回馈 装置，就会造成系统复杂。如果采用母线共连的方式就可以统一将导纸辊上产生的 能量进行互补，并接入到单一的能量回馈装置，如下图所示。图共用直流母线方案在造纸机上的应用系统具有以下特点：(1)共用的直流母线采用铜排连接；(2)各单机变频器与共用直流母线通过连接模块如MC和FU进行联络;再生能量回馈装置采用德国Siemens直流调速的整流器6RA24系列; 通过整流器后的交流电再利用隔离变压器与交流电网相连，采用6RA24系 列整流器后，回馈的交流

14、电为 AC500V必须采用500/400的隔离变压器；将控制整流器6RA24的系统融合到多电机传动控制系统和过程控制PLC系 统中去，这样可以保证对整流器的实时投运监控，确保系统的稳定性。针对在同一个系统中的一个或多个传动发生再生能量情况而提出的共用直流母 线方案，该方案已经在很多行业如离心机、化纤设备、造纸机等设备被证实是有效 和可靠的。共用直流均衡母线技术的基本要求：1、变频器需共享整流装置，此整流装置为共用直流母线专用装置。2、变频器尽量安装在一起，避免远距离配线，最好在同一个电气房。3、变频器每一台都必须另外作隔离保护装置。4、不能使用一般变频器作共用直流母线使用，否则会有炸机的危险。

15、5、电机的容量功率可以不必相同，但必须考虑停机时能量反馈能否被用掉。6 般运转台数在412台（电机功率可以不相同）一组共用直流母线为佳。7、部分变频器可以驱动永磁同步电机，解决起动的冲击问题。N I【专家】从公共直流母线系统的组成和应用的角度，阐述公共直流母线技术应用于多电机传动系统中，在取得较高的调速精度的同时，将系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和能量回收，从而取得良好的节能效果。经过大量实际工作得出以上结论，在变频器调速系统中，如果有多台变频器同时工作时，可采用公共直流母线技术，此技术在西门子工控变频中应用比较多，但在其他品牌得变频器却应用的很少。此种连接方式可以更高地利用由于变

16、频制动所产生的无功功率，是一种比较理想的应用方法，同时对于其他的变频器调速控制精度，提供了高品质的直流电源。作者预测，公共直流母线技术具有较好的应用推广前景，事实也是如此。【作者】：河北唐山建龙实业有限公司简舟热轧厂主要产品是7OOMM轧带钢, 轧线三电控制系统为北京科技大学麦思科自动化有限公司设计制造 , 该轧线粗轧机为5500KW直流电机；机前机后钢坯输送辊道控制系统采用公用直流母线技术,采用 整流回馈控制装置集中供直流电源 , 由变频器逆变成交流电驱动电机。此项技术按 目前控制说属于技术成熟方案。但我单位故障较多，集中体现在如下几点1（ 电网有大范围波动时，就会出现可控硅击穿现象，可控硅

17、更换耽误生产时间 为 1 小时左右。2（现场电机出现接地短路现象时，有时也会冲击整流回馈装置，造成故障停 机。3（北科麦思科设计的同规模轧钢线全部存在相同故障隐患，北科拿不出彻底解 决方案。借予以上几点，我公司领导相当闹心，其他兄弟单位纷纷与我厂探讨解决 方案，经过查阅资料，采纳多方信息。该问题于今年 5 月份彻底解决。因同规模生 产线存在相同故障隐患，为了进一步得到技术推广，提高同行业技术水平，特撰写 此论文，并发布于工控网，希望大家共同学习研究。摘 要】介绍了公共直流母线系统的组成和应用。公共直流母线技术越来越 广泛地应用于多电机传动系统中，在获得高精度调速系统的同时，将系统在制动过 程中

18、产生的再生能源加以合理利用和能量回收，取得较好的节能效果。关键词】公共直流母线技术 整流/ 回馈 逆变器 多电机传动公共直流母线技术是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流 / 回馈装置为 系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统工作 在电动状态时，逆变器从母线上获取电能 ; 当系统工作在发电状态时，能量通过母 线及回馈装置直接回馈给电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护 量和设备占地面积等目的。1、公共直流母线控制系统的组成公共直流母线控制系统通常由整流/回馈单元、公共直流母线、逆变单元等组 成。回馈单元可分为通过自耦变压器的能量回馈和不通过自耦变压器

19、的能量回馈两 种方式。通过自耦变压器的能量回馈可提高回馈支路中的电源电压，目的是在能量 回馈过程中不必降低中间回路电压，使得逆变器能够获得一个较恒稳的直流电源 不通过自耦变压器的能量回馈实际上是保持系统一直处在回馈状态，在整流过程中 依靠持续降低具有相角控制的中间回路的电压来实现。1.1整流/回馈装置整流/回馈单元把交流电源转换为电压稳定的直流电源，即使在逆变器能量回 馈到电网时，该电压在规定范围内仍保持恒定。整流 /回馈单元的功率部分一般由 2个反并联晶闸管桥组成，可在输入端电网和逆变器中间回路之间整流和回馈。1.2逆变器逆变单元把电压稳定的直流电源转化为电压、频率可调的交流电源，以满足电机

20、平滑调速的目的。逆变器系统的原理框图如图所示。2、公共直流母线系统的应用济钢三轴滚切式双边剪设计交流调速电机 74台，分别由20套调速装置控制。其中双边剪剪切区共有67台交流电机，1台激光划线定位用电机、6台磁力对中定位电机。这些电机均要求工作在频繁起制动状态，且具有良好的调速性能和调速精度，对定位精度有严格的工艺控制。2.1方案的产生根据双边剪生产工艺的要求，剪切区辊道担负着输送钢板和控制剪切步长的任务，这就要求辊道电机的工作特性要与夹送辊的工作特性保持一致，具有相同的加速度和线速度。其工作曲线如图所示辊道工作状态示意图由辊道电机的工作曲线可以看出，辊道电机始终工作在启动、制动状态，若双边剪

21、的剪切次数为24次/分，步长设为1.3米，那么t3=2.5秒，t2=1.39 秒，t2为钢板运动一个步长所需的时间，那么，系统的制动占空比为:D=t2/2t3=0.278=27.8%。因此，辊道属频繁起、制动工况，恒力矩负载,并有不规则的负载冲击，制动占空比D可高达27%对调速装置提出了较高的制动要求。众所周知,转差矢量控制技术很好的解决了调速低频段电机的力矩和宽范围快速调节电机力矩的问题，而且VVVF电压型逆变器很适合多机拖动系统。在辊道传送钢板时，负载惯性大，制动时，从电机大量反馈回直流环节的能量将抬高直流环节电压。处理反馈能量的方法有许多中，最理想的是把电机能量反馈回电网，这种系统不但性

22、能好、运行效率很高，而且运行经济节能、系统技术含量高、运行稳定、维护量大大减小。鉴于以上原因，双边剪剪切区辊道电机传动系统采用西门子公司公共直流母线技术，由一套整流/回馈单元给公共直流母线供电，所有逆变器均挂接在直流母线上，构成一个公共直流母线调速系统。2.2系统组成由于剪切区辊道电机较多，根据其工艺控制要求，将电机分组控制，以简化系 统配置和系统结构。剪前区辊道分为三组七段，每段有五台电机组成，每段由一台 逆变装置驱动；剪后区辊道分为三组六段，前两组每段由五台电机组成，第三组每 段由六台电机组成，每段由一台逆变装置驱动。磁力对中装置每台电机由一台逆变整流回馈单元采用通过自耦变压器的能量反馈方

23、式。在回馈桥和电网间通过自 耦变压器将回馈桥的输入电压升高 20%以实现没有电压降的回馈。回馈桥上没有 较高电压时，中间回路电压通过相位角变化进行调整，中间回路电压由一个带微处 理器的数字调节器自动调节。逆变器由中间回路直流电压利用脉冲宽度调制方法(PWM生成一个交流变频系 统，装置由内部闭环电子线路控制，功能由装置软件提供，采用无速度传感器的矢 量控制模式。速度给定信号由PLC运算后通过DP网传给每套驱动装置，增加了系 统的响应速度和控制精度及系统的抗干扰能力。2.3系统的优点公共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案，很好地解决了多电机间 电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中，同一时刻不同装置可工作在不同的状态，整流回馈单元保证了公共直流 母线电压的稳定供给，又将多余的能量回馈给电网，实现了再生能源的合理利用。公共直