趙 欣

( 洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471039 )

隨著工業(yè)電氣自動化技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，在熱軋機(jī)組等多臺單體設(shè)備電氣控制系統(tǒng)中，我公司選用了西門子公司S120交流多傳動控制系統(tǒng)。西門子S120交流多傳動控制系統(tǒng)的供電模塊主要分為三大類：

⑴基本型電源模塊(Basic Line Module)，簡稱BLM。

⑵非調(diào)節(jié)型電源模塊(Smart Line Module)，即整流回饋單元，簡稱SLM。

⑶調(diào)節(jié)型電源模塊(Active Line Module)，即作為升壓器工作的自控供電/再生饋電裝置，簡稱ALM。

我公司近幾年主要選用了非調(diào)節(jié)型電源模塊，即整流回饋單元(SLM)，再加上其他配套的電機(jī)模塊(即矢量控制的逆變器)、CU320控制單元等擴(kuò)展系統(tǒng)組件，設(shè)計(jì)了多套西門子S120交流多傳動控制系統(tǒng)。

1 交流多傳動控制系統(tǒng)的主要性能特點(diǎn)

在交流多傳動控制系統(tǒng)中，采用了公共直流母線技術(shù)。它是在多電機(jī)交流調(diào)速系統(tǒng)中，采用單獨(dú)的整流回饋單元為公共直流母線提供一定功率的直流電源，即通常所說的交流變直流(AC/DC)；調(diào)速用逆變器直接掛接在公共直流母線上,完成電機(jī)驅(qū)動的工作，即通常所說的直流變交流(DC/AC)。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動狀態(tài)時(shí)，逆變器從母線上獲取電能；當(dāng)系統(tǒng)工作在發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量通過母線及整流回饋單元直接回饋給電網(wǎng)。在使用多臺逆變器工作的場合，各個(gè)逆變器在生產(chǎn)線處于電動狀態(tài)或發(fā)電狀態(tài)，通過公共直流母線可直接進(jìn)行能量交換；在短時(shí)頻繁起動/制動操作時(shí)，整流回饋單元內(nèi)的電容可以短時(shí)充放電來保持直流母線電壓的穩(wěn)定，減小了起動/制動操作時(shí)對電網(wǎng)和電氣設(shè)備的沖擊。

綜合交流多傳動控制系統(tǒng)的性能特點(diǎn)，整流回饋單元保證了公共直流母線電壓的穩(wěn)定供給，又能將能量回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了能源的合理利用；公共直流母線系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定；在多電機(jī)傳動系統(tǒng)中省去了大量的制動單元、制動電阻等外圍設(shè)備，節(jié)省了設(shè)備占地面積，減少了設(shè)備維護(hù)量，減少了設(shè)備故障點(diǎn)，提高了設(shè)備的整體控制水平。對工程設(shè)計(jì)人員來說系統(tǒng)配置更加靈活，使用更加方便。

交流多傳動控制系統(tǒng)通常由整流回饋單元、公共直流母線、逆變裝置、其他控制單元等組成。回饋單元可分為通過自耦變壓器的能量回饋和不通過自耦變壓器的能量回饋兩種方式。通過自耦變壓器的能量回饋可提高回饋支路中的電源電壓，目的是在能量回饋過程中不必降低中間回路電壓，使得逆變器能夠獲得一個(gè)較恒穩(wěn)的直流電源。西門子的整流回饋單元的回饋電路采用IGBT功率元件，能進(jìn)行穩(wěn)定的能量回饋，能量回饋持續(xù)效率達(dá)100%，不需要自耦變壓器可完成能量回饋控制。

圖1為整流回饋單元SLM的供電電路框圖。

2 預(yù)充電和主回路合閘控制

2.1 預(yù)充電工作特點(diǎn)

預(yù)充電就是由整流回饋單元給整流回饋裝置和逆變器裝置中的直流母線電容充電。因?yàn)橹绷髂妇€上有大電容存在，我們知道，電容是一個(gè)儲能元件，電容并聯(lián)在電源兩端的時(shí)候，當(dāng)電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變，剛接通電源瞬間，電容器兩端相當(dāng)于短路，這是電容器的工作原理所決定的。此時(shí)如果沒有預(yù)充電電路，那整流器的電子功率器件(如二極管等)就會因?yàn)槎搪范鴵p壞。預(yù)充電電路在這里起到了限制電源接通瞬間對電容器充電電流的作用，電流通過預(yù)充電電阻后，控制充電電流，以保護(hù)整流器的電子功率器件不會因電流沖擊過大而損壞。

圖1 整流回饋單元SLM的供電電路框圖

在充電工作結(jié)束前，電容內(nèi)若沒有充滿能量，則電路中電容的充電電流會非常大，會引起過流現(xiàn)象，因此禁止強(qiáng)制閉合主接觸器或主斷路器。啟動時(shí)要遵守非調(diào)節(jié)型電源模塊的合閘邏輯，啟動順序主要是：啟動——預(yù)充電——裝置充電結(jié)束確認(rèn)——主開關(guān)(或主接觸器)合閘控制——整流回饋單元工作。

2.2 進(jìn)線框架斷路器的控制邏輯

當(dāng)整流回饋單元的容量較大，進(jìn)線電流較大時(shí)，如進(jìn)線電流 >1000A，進(jìn)線的主開關(guān)可設(shè)計(jì)選用框架斷路器，框架斷路器的合閘控制邏輯見圖2。

圖2 進(jìn)線框架斷路器的合閘控制邏輯圖

如圖2所示，西門子整流回饋單元SLM啟動的時(shí)序是，當(dāng)用戶給出合閘命令后，整流回饋單元首先控制內(nèi)部的預(yù)充電回路工作，給直流母線上的電解電容進(jìn)行預(yù)充電，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到額定值的 80%之后，來自整流回饋單元SLM端子排X9的3號端子和4號端子閉合，這樣KA1 線圈得電，閉合欠壓脫扣器回路，使欠壓脫扣器得電，經(jīng)過一定的延時(shí)后，合閘準(zhǔn)備就緒觸點(diǎn)PF閉合，使合閘線圈得電，框架斷路器合閘，主回路接通，整流回饋單元進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

如圖2所示，如果沒有欠壓脫扣器，在整流回饋單元沒有完成預(yù)充電工作的情況下，如果直接閉合框架斷路器，使三相交流電壓通過主回路的二極管橋直接加到了直流母線的電解電容上，這樣瞬間的電流就會非常大，會造成整流回饋單元嚴(yán)重的故障，甚至?xí)斐烧骰仞亞卧碾姎庠p壞。

把欠壓脫扣器引入到合閘控制邏輯中后，在線圈KA1得電后，欠壓脫扣器才會得電，框架斷路器進(jìn)入到合閘準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，合閘線圈才得電，框架斷路器的主觸頭才會閉合。否則框架斷路器就不會進(jìn)入到合閘準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，此時(shí)采用其他方式去合框架斷路器，都無法使框架斷路器閉合。而線圈KA1是由整流回饋單元SLM端子排X9的3號端子和4號端子來控制的，如果整流回饋單元沒有完成預(yù)充電工作，則端子排X9的3號端子和4號端子不會閉合，線圈KA1不會得電，框架斷路器就無法閉合，防止了在整流回饋單元沒有完成預(yù)充電的情況下，就去合框架斷路器而造成的整流回饋單元的故障和損壞。

2.3 整流回饋單元SLM的控制方式

整流回饋單元SLM的控制方式有兩種：

① 本地合閘/分閘控制；

② 遠(yuǎn)程PROFIBUS-DP通訊合閘/分閘控制。

以上兩種控制方式主要在控制單元(Control Unit)CU320來完成，控制單元CU320是一個(gè)中央控制模塊，模塊上主要有下列接口：PROFIBUS接口；DRIVE-CLiQ接口，RS232串行接口；數(shù)字量輸入端口；數(shù)字量輸入/輸出端口等。圖3為帶有二個(gè)CU320控制單元的網(wǎng)絡(luò)配置圖。

圖3中DRIVE-CLiQ接口為實(shí)時(shí)串行通訊，用于連接所有的SINAMICS驅(qū)動組件，如電源模塊或電機(jī)模塊等，通過DRIVE-CLiQ接口連接，可完成對單個(gè)或多個(gè)電源模塊或電機(jī)模塊的控制功能。

PROFIBUS端口，用于連接如可編程控制器(PLC)或人機(jī)界面(HMI)等上位控制器主站，CU320作為PROFIBUS從站。上位控制器主站通過PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)主站對從站的通訊控制。

圖3 帶CU320控制單元的網(wǎng)絡(luò)配置圖

通過遠(yuǎn)程PROFIBUS-DP通訊合閘/分閘控制，上位控制器可以對兩臺或三臺整流回饋單元SLM同時(shí)完成合閘/分閘控制，這樣整流回饋單元可同時(shí)給公共直流母線上的電解電容進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)公共直流母線上的逆變器數(shù)量較多，總功率較大時(shí)，電解電容的并聯(lián)容量也較大，同時(shí)進(jìn)行預(yù)充電可縮短充電時(shí)間，增加預(yù)充電控制的可靠性。通過PROFIBUS-DP通訊網(wǎng)絡(luò)，上位控制器也可以讀取整流回饋單元的狀態(tài)信息，便于監(jiān)控和維護(hù)。

3 結(jié)束語

交流多傳動控制系統(tǒng)具有很好的經(jīng)濟(jì)性和適用性，廣泛應(yīng)用在冶金等行業(yè)中。當(dāng)整個(gè)生產(chǎn)線上的多臺逆變器接入交流多傳動控制系統(tǒng)時(shí)，要保證連接在公共直流母線上的多臺逆變器正常工作，整流回饋單元作為公共直流母線上的供電單元，可靠性要求更高。做好預(yù)充電和主回路的合閘控制等調(diào)試工作，才能使整流回饋單元可靠運(yùn)行，保證交流多傳動控制系統(tǒng)正常工作運(yùn)行。