劉鵬飛，楊曉輝

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

2015年我公司為佛山某公司配套重卷機組電控系統(tǒng)，設(shè)備主要生產(chǎn)300系列、400系列不銹鋼，主要為冷軋機焊接引帶。設(shè)備電力拖動系統(tǒng)為6臺交流變頻電機，甲方要求優(yōu)先使用ABB ACS800系列變頻器且要求節(jié)能環(huán)保。

1 項目概述

該重卷機組主體包括開卷機、三輥直頭機、焊接機、張力輥組、卷取機等6大部分，其中開卷電機、張力輥電機多數(shù)時間都工作在發(fā)電狀態(tài)，交直交變頻器從電機吸收的能量都會保存在電容中，最終導致直流電壓升高。如果配備制動單元和制動電阻，變頻器就可以接通電阻，使電能以熱量的方式消耗掉，但是不節(jié)能環(huán)保；如果采用四象限的交直交變頻器，可以把儲存的電能再回饋給電網(wǎng)，但是變頻器成本很高。

采用共直流母線互連的方法，發(fā)電狀態(tài)的電機就可以把再生的能源通過直流側(cè)母線，給其它電機以電動的方式消耗吸收，這是一種非常有效的工作方式。當設(shè)備處于降速或停車狀態(tài)時，需要再加上1個一定容量的制動單元和制動電阻，以便在停車時把發(fā)電產(chǎn)生的能量消耗掉。重卷設(shè)備的制動過程對整個生產(chǎn)過程來說很短且不頻繁，所以消耗的能量可以忽略不計。

標準的交流多傳動方案是1個整流單元帶多個逆變器，但是ABB標準的二極管整流單元最小輸出功率也有一百多千瓦，針對這種電機數(shù)量少、功率小的重卷機設(shè)備并不是最佳的解決方案。交直交變頻器共直流母線的設(shè)計方案，可以實現(xiàn)既經(jīng)濟實惠又環(huán)保節(jié)能的目標。

2 變頻器共直流母線方案設(shè)計

2.1 設(shè)計方案特點

普通變頻器共直流母線方案為電動和發(fā)電狀態(tài)的能量共享，即當系統(tǒng)中任何一臺電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，其所反饋到直流母線中的能量可以被其它處于電動狀態(tài)的電動機吸收利用，從而避免能量的浪費。

2.2 原理分析

ABB交直交變頻器的逆變單元都是采用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)模塊，為了保護IGBT，在IGBT的集電極和發(fā)射機端都接有反向二極管。當電機處于發(fā)電狀態(tài)時，電機的瞬時端電壓已大于直流母線的電壓，這時IGBT已處于承受反向電壓狀態(tài)，所以IGBT的反向二極管導通，從不同相的兩個反向二極管形成回路，對直流母線上的電容形成充電電流，最終使直流母線上的電壓升高。但是，在機列聯(lián)動時，大部分電機還是處于電動狀態(tài)，如果把這些變頻通過直流互連，發(fā)電狀態(tài)的電機產(chǎn)生的再生能量就可以被電動狀態(tài)的電機以電能形式吸收。

2.3 方案詳細設(shè)計

目前交直交的變頻器共直流母線有兩種方案(圖1)，一種是多個變頻器連到供電母線上，第二種是把最大的變頻器接到供電母線上，其它變頻器只是共直流母線。設(shè)備工藝、電機功率不一樣，設(shè)計方案也不一樣。

圖1Fig.1

該重卷設(shè)備分為6大部分，共有5臺交流變頻電機，開卷機電機功率55kW，電流102A，電壓380V，變頻器型號ACS800-01-0060-3；三輥直頭機電機功率7.5kW，電流29A，電壓380V，變頻器型號ACS800-01-0011-3；卷取機電機功率90 kW，電流195A，電壓380V，變頻器型號ACS800-01-0135-3(R6)；入口和出口張力輥電機(各1臺)功率37 kW，電流74A，電壓380V，變頻器型號ACS800-01-0050-3。

如果按照正常的工藝要求生產(chǎn)，工作在電動狀態(tài)下的電機分別是卷取機和三輥直頭電機；工作在發(fā)電狀態(tài)下的電機分別是開卷機、張力輥入口電機和張力輥出口電機。

根據(jù)公式計算整流功率，Pn≥1.1∑Pmotor-0.9∑Pgen=1.1×(90+7.5)-0.9×(37+37+55)=-8.85。考慮特殊情況下，如果開卷機張力大于卷取機張力，張力輥會工作在電動狀態(tài)。根據(jù)公式計算整流功率，Pn≥1.1∑Pmotor-0.9∑Pgen=1.1×(90+7.5+37+37)-0.9×55=139.15。 多數(shù)情況下，開卷張力會小于卷取張力，S輥工作在電動狀態(tài)是極端情況；或者當S輥轉(zhuǎn)動慣量比較大，在機列加速過程中，S輥也可能會工作在電動狀態(tài)，但是時間很短，所以考慮到特殊情況，卷取機推薦使用ABB ACS800-01-0135-3。

整個充電能量是所有共直流母線變頻器電容容量之和。根據(jù)工藝要求，三輥直頭電機只有在穿帶時點動工作，并不在線工作，所以三輥直頭變頻器單獨連接供電，并不參與共直流母線。

表1

設(shè)備降速或停機時，所有電機都在制動，方案還需要設(shè)計制動單元和制動電阻。根據(jù)ABB多年傳動經(jīng)驗和我們以往精整設(shè)備經(jīng)驗，制動單元功率為整流單元功率的30%。

3 結(jié)語

從現(xiàn)場運行情況來看，我公司設(shè)計的交直交變頻器共直流母線方案在重卷機上的應(yīng)用是成功的。由交直交變頻器構(gòu)成的共用直流母線方案也可移植到相同生產(chǎn)工藝要求的其它精整設(shè)備上，充分利用再生能量，達到既節(jié)約成本又環(huán)保節(jié)能的目的。

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