范紅勇

摘 要：共直流母線技術(shù)正廣泛的應(yīng)用于多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中，電網(wǎng)斷電情況下的多電機(jī)同步控制也正在被高端市場(chǎng)關(guān)注。文章從共直流母線、斷電再生能量反饋及利用、UPS保護(hù)系統(tǒng)等三個(gè)方面講述了一種多電機(jī)斷電同步控制的實(shí)現(xiàn)方法，使得設(shè)備極大方便客戶的生產(chǎn)，提高了效益。

關(guān)鍵詞：共直流母線；再生能量反饋；UPS保護(hù)系統(tǒng)

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，多電機(jī)傳動(dòng)同步控制系統(tǒng)普遍應(yīng)用于印刷設(shè)備、紡織設(shè)備、造紙?jiān)O(shè)備、精密加工機(jī)床等生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制設(shè)備中。這些系統(tǒng)中有一個(gè)共同特點(diǎn)，要求多電機(jī)傳動(dòng)必須同步，多臺(tái)電機(jī)之間的同步協(xié)調(diào)性直接影響到設(shè)備的性能與控制精度。

經(jīng)過多年的努力，多電機(jī)同步控制技術(shù)在各領(lǐng)域得到充分應(yīng)用，但是近年來，由于材料成本、人工成本的持續(xù)上升，客戶對(duì)設(shè)備同步傳動(dòng)性能提出更高的要求，除了正常生產(chǎn)時(shí)的同步之外，在外網(wǎng)突然斷電時(shí)，設(shè)備仍然具備同步停止的功能。這種性能在紡織行業(yè)尤其重要。紡織機(jī)械通常是多電機(jī)控制、多錠位操作的擴(kuò)展型制造設(shè)備，遇到雷雨天氣，工廠電網(wǎng)會(huì)突然斷電，紗線斷頭、飛花，而且，再次投入生產(chǎn)時(shí)，所有設(shè)備需要重新清理生頭，耗時(shí)耗力。因此，如果設(shè)備沒有斷電同步控制的功能，整個(gè)工廠將損失巨大。

多電機(jī)斷電同步控制必須有三個(gè)要點(diǎn)：公共直流母線、斷電再生能量消耗、UPS保護(hù)裝置。

1 公共直流母線

共直流母線是一種多電機(jī)傳動(dòng)電源采用直流側(cè)直接連接的方式。該方式采用單獨(dú)的整流/回饋裝置，或利用大容量變頻器自帶的整流橋，為系統(tǒng)提供一定功率的直流電源，調(diào)速用逆變器直接掛接在直流母線上。當(dāng)系統(tǒng)工作在電動(dòng)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)，能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網(wǎng)，以達(dá)到節(jié)能、提高設(shè)備運(yùn)行可靠性、減少設(shè)備維護(hù)量和設(shè)備占地面積等目的。

圖1表示的是四電機(jī)同步控制公共直流母線系統(tǒng)。VF1～VF4為四電機(jī)變頻器。變頻器內(nèi)部自帶有整流/回饋裝置、直流母線、逆變器，共直流母線就是將四個(gè)變頻器的直流端子并聯(lián)，讓逆變器共享整流裝置，此整流裝置為共用直流母線專用裝置。

母線電壓是共直流母線的核心參數(shù)。在多電機(jī)同步控制系統(tǒng)中，變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)加減速時(shí)，直流母線上的電壓是變化的，尤其要注意減速時(shí)，所有變頻器從電機(jī)吸收的能量都會(huì)保存在電解電容中，最終導(dǎo)致變頻器中的母線電壓升高。如果變頻器配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，變頻器就可以通過短時(shí)間接通電阻，使電能以熱方式消耗掉。當(dāng)然只要充分考慮到制動(dòng)時(shí)最大的電流容量、負(fù)載周期和消耗到制動(dòng)電阻上的額定功率就可以來設(shè)計(jì)合適的制動(dòng)單元，并以連續(xù)的方式消耗電能，最終能夠保持母線電壓的平衡。

2 斷電再生能量回饋

減速時(shí)母線電壓升高的極端情況發(fā)生在斷電時(shí)。外電網(wǎng)突然斷電，正在運(yùn)行的電機(jī)會(huì)急劇減速，如果電機(jī)容量較大或轉(zhuǎn)速較高，直流母線上的電壓會(huì)快速升高，這是由于從電機(jī)端發(fā)電得到的能量反饋到傳動(dòng)的變頻器中來，這種現(xiàn)象叫“再生能量”。

上述制動(dòng)單元的工作方式其實(shí)就是消耗能量的一種。當(dāng)多電機(jī)容量接近時(shí)，外電網(wǎng)斷電各電機(jī)再生能量總量不高，可被制動(dòng)電阻快速消耗，多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)斷電同步控制。還有一種情況，其中一個(gè)電機(jī)的容量較大，斷電后其慣性能持續(xù)發(fā)電（發(fā)電機(jī)狀態(tài)）且制動(dòng)電阻不容易全部吸收時(shí)，可以控制其它慣性小的電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)狀態(tài)）來消耗直流母線上的能量。

利用其它電機(jī)消耗再生能量的方法也可以實(shí)現(xiàn)多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)斷電同步控制的功能。但必須保證控制電源不能掉電，也就是變頻器的使能及減速信號(hào)不能丟失。因此，除了公共直流母線外，還必須加上UPS保護(hù)系統(tǒng)。

3 UPS保護(hù)系統(tǒng)

斷電同步控制功能必須包含UPS掉電保護(hù)系統(tǒng)，其作用是保證控制單元能在外電網(wǎng)斷電后繼續(xù)工作。這一點(diǎn)非常重要，如果控制電路失電，各變頻器的使能及速度控制信號(hào)全部失效，所有電機(jī)將處于失控自由狀態(tài)，其結(jié)果是慣量大的電機(jī)短時(shí)間內(nèi)停不下來，慣量小的電機(jī)掉電后立即停止，同步功能失效。

圖2是控制系統(tǒng)UPS方案簡(jiǎn)圖，在給HMI、PLC供電的AC/DC電源之前增加220VAC的交流UPS，其容量根據(jù)AC/DC來決定。

4 結(jié)束語

公共直流母線連接、能量反饋再利用、UPS保護(hù)系統(tǒng)三方面結(jié)合起來，可實(shí)現(xiàn)斷電情況下的多電機(jī)系統(tǒng)同步控制。原則上，斷電控制過程越短越好，但電機(jī)減速太快將會(huì)引起母線電壓明顯升高，極端時(shí)變頻器會(huì)產(chǎn)生過壓報(bào)警造成失控。因此，根據(jù)負(fù)載設(shè)置適當(dāng)?shù)淖冾l器參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)多電機(jī)斷電后完美同步停止，大大方便客戶的生產(chǎn)，提高效益。