防爆電機(jī)

應(yīng)用在起重機(jī)上的共直流母線能量回饋系統(tǒng)，節(jié)電效果顯著！

發(fā)布時(shí)間：2021-12-27 08:02:00 點(diǎn)擊：

起重電機(jī)專業(yè)生產(chǎn)廠家無錫宏達(dá)2021年12月27日訊 采用變頻調(diào)速控制的起重機(jī)，當(dāng)各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的負(fù)載處于下降或制動(dòng)過程中（電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)）時(shí)，會(huì)使變頻器的直流母線電壓升高。為了限制變頻器直流母線端的電壓，常規(guī)的方法是將其產(chǎn)生的再生電能通過外接制動(dòng)電阻的形式消耗掉，這樣就導(dǎo)致了能量的浪費(fèi)。

針對(duì)上述電能浪費(fèi)的問題，在調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用共直流母線能量回饋系統(tǒng)技術(shù)，將各機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的再生能量通過有源回饋裝置回饋到電網(wǎng)，從而有效減少了能量的浪費(fèi)，且對(duì)電網(wǎng)無污染，提高了調(diào)速系統(tǒng)的控制性能。

1 共直流母線能量回饋系統(tǒng)介紹

共直流母線能量回饋調(diào)速系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱共母線回饋系統(tǒng)）采用單獨(dú)的整流/回饋單元，為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單元直接回饋給電網(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。

共直流母線能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)主要硬件部分包括有源整流/回饋單元、逆變裝置。

1.1 有源整流/回饋單元

圖1所示為有源回饋整流單元，其中有源回饋整流裝置由自由換向絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor, IGBT）逆變器組成，該逆變器工作于電源側(cè)，既可以把電源電壓整流為恒定可控的直流電源，也能將能量回饋給電網(wǎng)。

整流裝置的IGBT在自然換相點(diǎn)觸發(fā)導(dǎo)通，與電流流動(dòng)方向無關(guān)。電流流動(dòng)方向只取決于電源電壓和直流母線電壓。在電動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，有電流流動(dòng)期間，直流母線電壓總是低于電源電壓，電源通過二極管從電源流向直流母線；在發(fā)電（回饋）狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，有電流流動(dòng)期間，直流母線電壓總是高于電源電壓，電流通過IGBT從直流母線流向電網(wǎng)。對(duì)于負(fù)載的變化，整流回饋裝置能夠快速做出反應(yīng)，還可以隨時(shí)改變電流流動(dòng)方向。

有源濾波裝置使實(shí)際產(chǎn)生的電流接近正弦波，有效抑制諧波。

1.2 逆變裝置

逆變裝置是一個(gè)采用IGBT技術(shù)的自換流逆變器。它將直流母線電壓轉(zhuǎn)變成頻率和電壓可調(diào)的電源，以滿足電機(jī)平滑調(diào)速的目的。逆變裝置為多傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由控制單元控制。逆變裝置之間通過公共直流母線相連，逆變裝置從中間的直流回路獲取能量并加以轉(zhuǎn)換輸出，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 傳統(tǒng)變頻調(diào)速方案及硬件配置

傳統(tǒng)的變頻調(diào)速方案即是變頻器加制動(dòng)電阻的形式，起重機(jī)的各機(jī)構(gòu)分別配備相應(yīng)規(guī)格的變頻器，變頻器配備制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻，各機(jī)構(gòu)的變頻器接到三相交流電網(wǎng)上，通過變頻器驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)。圖2所示為傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)主回路單線圖。

在由變頻器、制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻所組成的傳統(tǒng)變頻調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，或當(dāng)電動(dòng)機(jī)從高速到低速減速時(shí)，電機(jī)所發(fā)出的電能通過制動(dòng)電阻消耗掉，同時(shí)維持直流母線上的電壓為一個(gè)正常值。

3 共直流母線回饋系統(tǒng)應(yīng)用于起重機(jī)

下面以某公司大型平頭塔式起重機(jī)為例，詳細(xì)介紹該系統(tǒng)在起重機(jī)上的應(yīng)用。該平頭塔機(jī)有四個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，分別為起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。

3.1 共直流母線回饋系統(tǒng)方案及硬件配置

圖3所示為該平頭塔機(jī)的共直流母線能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)主回路單線圖。

3.2 共母線回饋系統(tǒng)工作情況簡(jiǎn)述

從圖3可以看出，塔機(jī)的電氣控制系統(tǒng)采用的是公共直流母線的變頻調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖從上到下分為四大部分：上位機(jī)部分、通信及控制單元部分、共直流母線整流回饋部分、逆變部分。起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走四大機(jī)構(gòu)分別采用一套逆變裝置，共用一套回饋整流裝置，4個(gè)機(jī)構(gòu)的逆變裝置連接到公共直流母線上，分別拖動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

三相交流電通過能量回饋裝置，輸出直流560V左右的直流母排電壓，再通過各個(gè)機(jī)構(gòu)的逆變器變成頻率可調(diào)的交流電壓，調(diào)速驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。當(dāng)塔機(jī)只有某一個(gè)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，所產(chǎn)生的電能通過整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)，在此期間如果有另一個(gè)機(jī)構(gòu)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，所回饋的能量?jī)?yōu)先用于另一個(gè)機(jī)構(gòu)的使用，多余的電量才回饋給電網(wǎng)，保證了母線電壓的穩(wěn)定供給，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 變頻調(diào)速共直流母線回饋系統(tǒng)能量分析

以某公司同一型號(hào)、同一規(guī)格的兩臺(tái)大型平頭塔式起重機(jī)為例，最大額定起重質(zhì)量為100t，起升高度為100m，工作級(jí)別M5，一個(gè)工作循環(huán)時(shí)間約為24min，上升一次10min，下降10min，增幅90s，減幅90s，回轉(zhuǎn)60s，行走使用頻率極低，可忽略不計(jì)。

按照變頻電動(dòng)機(jī)和變頻器的選型手冊(cè)，通常電動(dòng)機(jī)的效率?1取0.89，變頻器效率?2取0.98，機(jī)械傳動(dòng)效率?3取0.9，電動(dòng)機(jī)傳輸?shù)哪芰靠傂?/section>

分別對(duì)兩臺(tái)塔式起重機(jī)在同等工況下、同等高度、同一負(fù)載、一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)電動(dòng)機(jī)分別采用變頻調(diào)速和共直流母線變頻調(diào)速的耗能

從表2中數(shù)據(jù)可知，塔式起重機(jī)采用共直流母線調(diào)速在上升、變幅和回轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)耗能與采用變頻調(diào)速在忽略制動(dòng)時(shí)相同，共直流母線變頻調(diào)速在下降時(shí)回饋能量，通過計(jì)算能量回饋率為24.5%，計(jì)算時(shí)忽略行走機(jī)構(gòu)以及其他部件耗電量，實(shí)際回饋率要高于計(jì)算值。

5 共直流母線回饋系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析及選型注意事項(xiàng)

1）系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

共直流母線系統(tǒng)是解決多電機(jī)傳動(dòng)技術(shù)的最優(yōu)方案，能很好地解決多電機(jī)間電動(dòng)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。

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(dòng)系統(tǒng)中省去了大量的制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻等外圍設(shè)備，從而解決了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻無空間擺放的難題，減少了設(shè)備故障點(diǎn)，提高了設(shè)備的整體控制水平。

2）系統(tǒng)缺點(diǎn)

首先，由于系統(tǒng)需要獨(dú)立的能量回饋裝置，且能量回饋裝置的功率要考慮至少兩個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行/回饋的容量，所以系統(tǒng)硬件配置成本投入較高，一般用戶難以接受。

其次，系統(tǒng)硬件及軟件配置較復(fù)雜，對(duì)主機(jī)廠電氣技術(shù)人員的專業(yè)技術(shù)水平要求較高。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)問題，用戶的技術(shù)人員很難處理，給用戶后期維修也增加了難度。

3）整流回饋裝置選型注意事項(xiàng)

現(xiàn)在市面上有很多品牌和規(guī)格的整流回饋裝置，硬件配備時(shí)一定要根據(jù)實(shí)際需要選擇不同的整流回饋裝置。以Siemens品牌為例，帶回饋功能的整流單元有ALM型和SLM型，ALM為主動(dòng)型可調(diào)節(jié)性整流模塊，比SLM整流單元多了一個(gè)LC凈網(wǎng)濾波器和一個(gè)AFE電抗器，能有效保證母線電壓的穩(wěn)定，從而減小回饋過程中諧波對(duì)電網(wǎng)的沖擊，并確保變頻調(diào)速系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

共直流母線能量回饋?zhàn)冾l調(diào)速系統(tǒng)，能夠有效避免再生能量的浪費(fèi)，并將再生能量通過整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)，對(duì)于大型起重機(jī)，尤其是起升高度高、工作級(jí)別高、起升機(jī)構(gòu)功率大的起重機(jī)，節(jié)能效果更顯著，一般節(jié)電率可達(dá)25%左右，且瞬間停電不會(huì)跳脫停機(jī)，保證設(shè)備的安全，具有良好的社會(huì)效益。