通用变频器公共直流母线技术方案的研究

一、序言

近年来，节能减排、发展低碳经济已成全球共识。节能降耗，构建节约资源型、环境友好型社会已是当今社会发展的一个永恒的话题[1]。在制造业生产中，机械装备绿色性能的优劣将直接决定产品制造过程对环境的影响，能源和资源的利用率是其主要考核指标；变频调速是目前世界公认的理想的节电调速技术，其已经广泛应用于各种调速系统中。在激烈的市场竞争中，发展绿色变频器已经成为各变频器厂家创新的重点。

在硬件设计电路中，通用型PWM变频器并没有将再生能量回馈到交流输入电源的功能，因此当电机制动时，电机处于发电状态，最终导致变频器中的直流母线电压升高，这部分升高的直流电压使变频器从电机吸收的能量保存在主回路的电解电容中[2]。由于电解电容的耐压值和容量限制，其不可能无限制的存储能量，为保证变频器主回路器件的安全性，变频器必须配备制动回路和制动电阻，当母线电压升高到一定电压值时，通过短时间接通制动电阻，变频器将这部分升高的电能以热能的方式消耗掉。所以在设计变频器的主回路时，必须根据负载电机的功率及扭矩值，通过详细的计算及冗余设计可以设计出满足使用要求的制动单元，并以热损耗的方式消耗电能，最终保持母线电压的稳定。这种制动单元+制动电阻的工作方式其实是能量的一种巨大浪费。[2]

如果一个机械设备有多个传动变频器，采用能耗制动方式所带来的浪费是巨大的。但是将多个变频器的直流母线互连，这样就可以在一个或多个电机处于发电状态时将电机产生的再生能量传给其他电动状态的电机吸收使用了。在共用直流母线的工作方式下，如果还需要更快的制动能力或紧急停止，那么就需要额外选配一个制动单元和制动电阻，以便将系统中多余再生能量通过制动电阻消耗掉，针对频繁制动的场合，可以通过回馈装置将直流母线上升高的电压回馈到电网中。[3]

二、公共直流母线控制系统的组成

公共直流母线是随着电力电子技术的发展及不断创新的控制理论而的产生的。公共直流母线技术的原理是基于通用变频器均采用的交－直－交变频方式，在交流输入电压值相同的情况下，整流出直流母线电压值也是相同的。根据变频器主回路硬件实现的功能，可分解为控制单元、整流/回馈和逆变单元３大部分。为了降低系统对电源质量的要求，通常由一个或数个单相限或四象限整流器构成整流回馈单元，逆变部分也可以有单台或者多台逆变器构成，整流单元和逆变单元通过公共直流母线连接起来[3]。

                                  图1变频器的交－直－交控制原理图

公共直流母线技术的优势在于[5]：

a.公共直流母线技术的应用可以大大减少重复配置制动单元，硬件组成简单合理；

b.公共直流母线可以减少交流输入器件的成本，如交流输入电抗器、接触器等；

c.恒定的直流母线电压，可实现可控的直流电压，实现预充电功能；

d.系统中各电动机在不同状态下工作，从再生制动回收能量，提高了系统效率，优化了系统的动态特性；

e.由于器件的减少，减少可电控柜的尺寸；

f.提高多传动控制系统的可靠性。

2.1整流/回馈单元

整流/回馈单元的主要功能是把三相交流输入电源转换为电压值恒定的直流电源，还可以通过创新的电源能量回馈功能，可以把电动机的制动能量回馈到电网中，并保持直流母线电压在规定范围内保持恒定，一般由2组反并联的可控硅模块组成其功率部分，通过可靠的控制算法，可实现电能在三相交流输入电源和逆变器中间回路之间的整流和回馈，其原理示意图见图2。[4]

                                         图2整流/回馈单元原理图

2.2逆变模块

逆变模块的功能是通过先进的控制理论和PWM斩波技术，把直流电压转化为三相交流电源，且电压和频率可调，从而实现电机调速的目的。逆变器系统的原理框图如图3所示[4]。

                                           图3逆变单元原理图

三、公共直流母线系统的方案研究及特点

公共直流母线系统按照能量回馈的有无可以分为回馈型和无回馈型两大类：带有回馈单元的系统可将再生能量回馈至电网，适合于电机制动频繁且制动功率大的场合进行应用；无回馈型系统通过公共直流母线将系统中的变频器互联到一起，再生能量被电动状态的电机吸收利用，为了保证系统的安全性及制动效果，需要通过加装功率和阻值合适的制动单元和制动电阻将可能出现的多余能量以热量的形式耗散掉。在一些不需要频繁制动的多传动系统，这种无回馈功能的公共直流母线方案具有更高的性价比。目前，主要几种共直流母线技术方案如下[5]。

3.1公共直流母线技术方案1

在该方案中，每台变频器仍旧采用传统的交流供电方式，无需额外的整流单元，变频器直流侧并联在一起，实现变频器之间的能量传递。这种方案适用于系统中的变频器功率等级相近的情况，即使断开直流母线后每个变频器还可以独立使用，互不影响[7]。该方案具有以下特点：

•当发电能量高于电动能量时，仍然需要能耗制动方式，消耗多余能量；

•只允许同功率等级的变频器直流并接；

•多余的再生能量无法回馈至电网；

•只能使用常规６脉波整流，５、７次谐波较高，无法配置12脉波系统；

•根据制动功率来加装制动电阻。

此方案可以应用于离心机的公共直流母线改造，实际应用中很重要的一点就是整个系统工作时必需充分考虑到交流输入主回路的保护、所有变频器的时序控制及安全互锁、系统故障处理、负载类型等。

                                图4公共直流母线技术方案1原理图

随着机械设备复杂性的不断增加，为了解决通用变频器再生能量的回馈处理，提高器能量利用效率，在多电机传动系统中引入的公共直流母线技术，在保证交流调速控制系统的恒定母线电压时，将系统的再生能源回馈到电网，取得非常好的节能效果

3.2公共直流母线技术方案2

该方案采用独立的二极管整流桥设计成整流单元，给所有变频器统一供电，这种方案的特点在于：

•整流部分可以根据需要配置成12脉波整流方式，消除５、７次谐波，降低谐波对电网的干扰；

•不同功率等级的变频器可以共用直流母线；

•整流部分采用传统的交直变换方式，动力配置简单；

•为了避免大电流对变频器内部器件的冲击，须配置预充电回路；

•不同的工作状态可实现变频器之间能量传递；

•由于采用不可控的整流电路，多余的再生能量仍然无法回馈至电网，为了实现能量回馈，需要单独配置回馈单元；

•须加装功率匹配的制动单元/制动电阻。

在造纸机械设备中要用到很多导纸辊传动电机，由于其会频繁的工作在制动状态，设计时必须考虑到再生制动问题，如果单独对每个变频器配置制动单元和制动电阻，就会造成控制系统结构复杂。而采用共直流母线技术进行导纸辊控制系统设计，其优势显而易见：系统结构简单；能量互补；减少故障点；提高系统的可靠性；降低成本。

                                       图5公共直流母线技术方案2原理图

3.3公共直流母线技术方案3

该方案设计中使用可控硅整流桥为直流供电单元，通过对可控硅导通角的控制，达到直流母线电压可控，并起到预充电的作用。该方案的应用特点如下：

•整流电路可以根据系统要求配置成12脉波整流单元；

•不同功率等级的变频器可共用直流母线；

•可控硅整流桥需要调试；

•需要配制动电阻／或回馈单元；

•单象限整流控制方式，无回馈功能。

轮胎龙门吊在集装箱下放过程中和大车、小车制动过程中，电机处于发电状态，势能转换成的电能无法回馈到电网，因此剩余的电能只能通过直流侧的制动单元流向制动电阻，变成热能而消耗掉，造成极大的能源浪费，而通过采用共直流母线技术和安装单相限可控整流及能量回馈装置可以将这部分再生能量返回电网，进一步降低系统的能耗，实现绿色节能。

                                          图6公共直流母线技术方案3

3.4公共直流母线技术方案4

该方案采用四象限全控整流方式，前面介绍的几种单相限变频器器主要问题是整流电路的器件无法实现全控，能量无法回馈到电网，而该方案真正实现了整流及再生回馈功能，该方案具有以下特点：

•采用可控硅作为整流器件，直流母线电压可控，实现对电解电容的预充电作用；

•根据设计要求，整流电路可以设置成12脉波整流系统，降低5、7次谐波；

•不同功率等级的变频器可共用直流母线；

•具有回馈功能可以实现大的再生容量；

•直流侧的输出受器件所限容量有限；

•可控整流及能量回馈高动态响应，直流母线电压不受负载波动影响；

                                          图7公共直流母线技术方案4

以上列出了4种共直流母线技术方案，并对每种方案的特点进行了阐述。正如本文之前的介绍，公共直流母线技术是解决多电机传动技术的最优方案，在相同的传动系统中由于不同的时间内每个变频器都会处在不同的工作状态，而共直流母线技术解决了电机的发电和电动状态实现能量相互转换的问题。系统中的整流回馈单元所具有的整流和回馈功能，不但为系统提供稳定的直流电压供给，还可以实现预充电功能，又将再生能量回馈给电网，提高了系统效率[2]。

采用公共直流母线技术的多传动系统在结构上更加紧凑，且由于减少了多余的整流和制动单元，减少了设备故障点，提高了设备的可靠性。[7]

4、结束语

公共直流母线技术目前已经在起重机、辊道、离心机等多电机传动的场合得到广泛的应用，是变频调速系统的一种创新发展，实际应用表明这种方式比传统的能耗制动方式节能进25%，它在提高系统的动态性能的同时可以将制动产生的能量回馈至电网，提高了能量利用率,应用前景十分广阔，并且由于系统中减少了能耗电阻，电控柜的温升也极大的降低，设备因热故障停机的比率几乎为零。公共直流母线技术具有较好的应用推广前景。

参考文献

[1]彭近新.全球绿色低碳发展及其对中国的启示.绿叶.2011年第7期

[2]李方圆.通用变频器共用直流母线方案的设计与应用.电工技术杂志.2004年第6期

[3]王万新.公共直流母线在交流传动中的应用.电气传动.2002年第5期

[4]俞宏亮,顾春雷,王建中.共用直流母线SPDMR的设计原理及应用.电气传动.2009年第1期

[5]http://wenku.baidu.com/view/4a2263f7ba0d4a7302763ac8.html

[6]白献刚,夏乃学,贡俊鹏,熊彦梅.通用变频器共直流母线在离心机上的应用.电气时代.2010年第9期

[7]赵瑞林.共用直流母线变频器方案的设计.自动化技术与应用.2013-11

作者：丁云飞，1978年生，高级工程师，工学学士，一直从事高档数控机床、全数字总线数控系统及伺服驱动等产品的研发项目管理及品质管理工作。