摘 要：本文主要介紹了直流母線技術(shù)在濟(jì)鋼中板廠新上剪切線上的應(yīng)用。對系統(tǒng)的組成，功能特點(diǎn)，現(xiàn)場問題的解決措施做了簡要闡述。該系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制，操作簡單方便，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。 一、引言 　　在工業(yè)生產(chǎn)中，采用交流電動機(jī)與變頻器相結(jié)合的交流調(diào)速已極為廣泛。交流變頻調(diào)速技術(shù)優(yōu)越的調(diào)速性能和顯著的節(jié)能效果，使其成為現(xiàn)代化電氣傳動的主要發(fā)展方向之一。變頻調(diào)速是交流電動機(jī)調(diào)速的發(fā)展趨勢，使用變頻器的電控系統(tǒng)，操作比較方便，易于控制，而且又能實(shí)現(xiàn)軟啟動和軟停車，不僅消除了因直接掛網(wǎng)而引起的對電動機(jī)及設(shè)備的機(jī)械沖擊，而且也消除了對電網(wǎng)的沖擊，還可以降低供電變壓器的容量。 　　為了適應(yīng)總公司品種質(zhì)量需求，濟(jì)鋼中板廠于2005年開始新建一條鋼板剪切線，設(shè)計(jì)時(shí)所有設(shè)備均采用交流電機(jī)驅(qū)動，由于整條生產(chǎn)線采用全自動控制，在線電機(jī)就存在頻繁的啟動與制動，在輥道傳送鋼板時(shí)，負(fù)載慣性大，制動時(shí)，從電機(jī)大量反饋回直流環(huán)節(jié)的能量將抬高直流環(huán)節(jié)電壓。針對上述存在問題，為了充分解決能量反饋問題，最理想的是把電機(jī)能量反饋回電網(wǎng)，這種系統(tǒng)不但性能好、運(yùn)行效率很高，而且運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能。鑒于以上原因，整條剪切線電機(jī)傳動系統(tǒng)采用羅克韋爾公司公共直流母線技術(shù)，由二套整流/回饋單元給公共直流母線供電，所有逆變器均掛接在直流母線上，構(gòu)成一個(gè)公共直流母線調(diào)速系統(tǒng)。 二、系統(tǒng)特點(diǎn) 　　一般使用獨(dú)立的變頻裝置驅(qū)動都需要增加反饋電網(wǎng)的裝置或制動電阻，否則無法順利使用。采用反饋電網(wǎng)的方式，其投入成本高，電路復(fù)雜，保養(yǎng)維護(hù)困難。采用制動電阻因?yàn)榉答伳芰看?，消耗功率大，制動功率大也是不?jīng)濟(jì)的方式。如何把負(fù)載慣量產(chǎn)生的電能再生利用，就成為關(guān)鍵技術(shù)之一。 　　公共直流母線的原理就是將變頻器分解為兩個(gè)部件，即整流器部分和逆變器分開。一臺較大的整流裝置可以供應(yīng)多臺逆變裝置，每臺逆變器的直流母線均并聯(lián)在一起。因此逆變器反饋的能量可以彼此的再生利用。所有逆變器能量不足的部分在有整流橋提供，由交流電源供電，因此這種應(yīng)用方式節(jié)電率最高。同時(shí)可以提高設(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。所以公共直流母線技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于多電機(jī)傳動系統(tǒng)中，不僅可以獲得高精度調(diào)速系統(tǒng)，而且還可以取得很好的節(jié)能效果。 三、公共直流母線控制系統(tǒng)的組成 　　公共直流母線控制系統(tǒng)通常由整流/回饋單元、公共直流母線、逆變單元等組成。主回路部分為交直電壓型，功率單元采用IGBT組件，在濟(jì)鋼中板剪切線上應(yīng)用的最大輸出功率分別為2000kW和1500KW。該整流回饋單元具有功率因數(shù)高、輸出紋波小、性能可靠、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 　　3.1整流/回饋裝置 　　整流/回饋單元把交流電源轉(zhuǎn)換為電壓穩(wěn)定的直流電源，即使在逆變器能量回饋到電網(wǎng)時(shí)，該電壓在規(guī)定范圍內(nèi)仍保持恒定。整流/回饋單元的功率部分一般由2個(gè)反并聯(lián)晶閘管橋組成，可在輸入端電網(wǎng)和逆變器中間回路之間整流和回饋。 　　3.2逆變器 　　逆變單元把電壓穩(wěn)定的直流電源轉(zhuǎn)化為電壓、頻率可調(diào)的交流電源，以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的。 [align=center] 逆變器原理圖[/align] 四、系統(tǒng)應(yīng)用 　　濟(jì)鋼中板廠滾切式雙邊剪和定尺剪系統(tǒng)設(shè)計(jì)交流調(diào)速電機(jī)150臺，分別由46套調(diào)速裝置控制。其中雙邊剪剪切區(qū)共有92臺交流電機(jī)，定尺剪剪切區(qū)公有58臺交流電機(jī)。這些電機(jī)均要求工作在頻繁起制動狀態(tài)，且具有良好的調(diào)速性能和調(diào)速精度，對定位精度有嚴(yán)格的工藝控制。 　　4.1 方案的產(chǎn)生 　　根據(jù)雙邊剪生產(chǎn)工藝的要求，剪切區(qū)輥道擔(dān)負(fù)著輸送鋼板和控制剪切步長的任務(wù)，這就要求輥道電機(jī)的工作特性要與夾送輥的工作特性保持一致，具有相同的加速度和線速度。系統(tǒng)的自動控制主要有過程級PLC和傳動級PLC構(gòu)成，過程級PLC主要完成系統(tǒng)工藝控制，傳動級PLC主要完成輥道等設(shè)備的連鎖控制和保護(hù)。傳動級PLC通過CNB獲取所有逆變器和操作臺的相關(guān)信號，通過內(nèi)部邏輯組合產(chǎn)生對輥道等設(shè)備的控制信號。自動時(shí)根據(jù)主剪對輥道的要求，由過程級PLC通過控制網(wǎng)傳給傳動級PLC，再經(jīng)由1203-CN1傳送到各逆變器的速度給定上，以最終調(diào)整輥道速度或是控制某一系統(tǒng)的運(yùn)行，停止等。同時(shí)通過控制網(wǎng)將監(jiān)控各系統(tǒng)的運(yùn)行級故障狀態(tài)。 輥道工作曲線如圖所示： [align=center] 輥道工作狀態(tài)示意圖[/align] 　　由輥道電機(jī)的工作曲線可以看出，輥道電機(jī)始終工作在啟動、制動狀態(tài)。因此，輥道屬頻繁起、制動工況，恒力矩負(fù)載，并有不規(guī)則的負(fù)載沖擊，對調(diào)速裝置提出了較高的制動要求。眾所周知，轉(zhuǎn)差矢量控制技術(shù)很好的解決了調(diào)速低頻段電機(jī)的力矩和寬范圍快速調(diào)節(jié)電機(jī)力矩的問題，而且VVVF電壓型逆變器很適合多機(jī)拖動系統(tǒng)。在輥道傳送鋼板時(shí)，負(fù)載慣性大，制動時(shí)，從電機(jī)大量反饋回直流環(huán)節(jié)的能量將抬高直流環(huán)節(jié)電壓。處理反饋能量的方法有許多中，最理想的是把電機(jī)能量反饋回電網(wǎng)，這種系統(tǒng)不但性能好、運(yùn)行效率很高，而且運(yùn)行經(jīng)濟(jì)節(jié)能、系統(tǒng)技術(shù)含量高、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)量大大減小。鑒于以上原因，剪切區(qū)輥道電機(jī)傳動系統(tǒng)采用羅克韋爾公司公共直流母線技術(shù)，由兩套整流/回饋單元給公共直流母線供電，所有逆變器均掛接在直流母線上，構(gòu)成一個(gè)公共直流母線調(diào)速系統(tǒng)。 　　4.2 系統(tǒng)組成 　　由于剪切區(qū)輥道電機(jī)較多，根據(jù)其工藝控制要求，將電機(jī)分組控制，以簡化系統(tǒng)配置和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每組電機(jī)都有單獨(dú)逆變器驅(qū)動。系統(tǒng)配置圖所示： [align=center] 公共直流母線系統(tǒng)配置圖[/align] 　　整流回饋單元采用通過IGBT的能量反饋方式。在回饋橋和電網(wǎng)間將回饋橋的輸入電壓升高20%，以實(shí)現(xiàn)沒有電壓降的回饋。中間回路電壓通過相位角變化進(jìn)行調(diào)整，中間回路電壓由一個(gè)帶微處理器的數(shù)字調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)。逆變器由中間回路直流電壓利用脈沖寬度調(diào)制方法（PWM）生成一個(gè)交流變頻系統(tǒng)，裝置由內(nèi)部閉環(huán)電子線路控制，功能由裝置軟件提供，采用有速度傳感器的矢量控制模式。速度給定信號由PLC運(yùn)算后通過Controlnet網(wǎng)傳給每套驅(qū)動裝置，增加了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度及系統(tǒng)的抗干擾能力。 　　為了克服高次諧波電流干擾，造成電壓波形畸變，從而引起電機(jī)脈動，發(fā)熱及噪聲等，同時(shí)為了克服尖峰浪涌電壓使電動機(jī)絕緣提前老化，增加軸電壓。系統(tǒng)中采取了一下措施： 　　抗高擾措施：采用專用變壓器給整流回饋裝置供電，以其他系統(tǒng)分離;在整流回饋裝置前加裝濾波電抗器;在電機(jī)側(cè)增加專用電機(jī)保護(hù)裝置。 　　防止軸電壓措施：盡量縮短逆變裝置到電動機(jī)的配線;在電機(jī)輸入側(cè)增加濾波電抗器。 　　4.3 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 　　公共直流母線系統(tǒng)是解決多電機(jī)傳動技術(shù)的最優(yōu)方案，很好地解決了多電機(jī)間電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)之間的矛盾。在同一系統(tǒng)中，同一時(shí)刻不同裝置可工作在不同的狀態(tài)，整流回饋單元保證了公共直流母線電壓的穩(wěn)定供給，又將多余的能量回饋給電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了再生能源的合理利用。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)備占地面積和設(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。同時(shí)運(yùn)行后節(jié)電效果明顯，節(jié)電率在20%左右。 　　在輥道等多電機(jī)傳動的場合應(yīng)用公共直流母線技術(shù)是輥道調(diào)速的一種發(fā)展方向，它能在取得較高的動靜態(tài)性能、調(diào)速精度的同時(shí)將系統(tǒng)再生能量加以合理利用和回收。該系統(tǒng)投入運(yùn)行兩年來，運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備故障停機(jī)率幾乎為零，系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均滿足雙邊剪和定尺剪復(fù)雜生產(chǎn)工藝的要求。 　　4.4 前景應(yīng)用 　　公共直流母線技術(shù)以其特有的優(yōu)勢成為將來主要發(fā)展方向，但是就某些已經(jīng)改造完成的項(xiàng)目而言，新上一整套整流回饋裝置在經(jīng)濟(jì)利益上并不劃算，但是考慮目前變頻器結(jié)構(gòu)上的通用性，提出了另外一種改造方案，如下圖所示： 　　此種采用共用直流母線的控制方式，雖沒有回饋電網(wǎng)的功能，卻具有以下顯著的特點(diǎn)： 　　a. 共用直流母線可以大大減少制動單元的重復(fù)配置，結(jié)構(gòu)簡單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。 　　b. 共用直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲能容量大; 　　c. 各電動機(jī)工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補(bǔ)，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)特性 五、結(jié)束語 　　濟(jì)鋼中板廠新剪切線的公共直流母線自投用以來，運(yùn)行非?？煽?，沒有出現(xiàn)過系統(tǒng)故障，具有直流供電穩(wěn)定，系統(tǒng)用電效率最高，電機(jī)返饋能量可以被利用，瞬功率因子較高,可達(dá)95%以上，電網(wǎng)諧波較低，允許頻繁起動操作等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此公共直流母線技術(shù)及其變通的直流母線技術(shù)具有較好的應(yīng)用推廣前景。