共直流母线能量回馈系统的原理和在起重机上的应用

山东丰汇设备技术有限公司的研究人员夏文艳,在2021年第1期《电气技术》上撰文,针对起重机机构的电动机所传动的位能负载下放时,或电机处于再生发电状态,所产生的再生能量通过外接制动电阻消耗掉,造成能量浪费的问题,提出了一种将公共直流母线能量回馈式变频调速系统技术并将其应用于起重机,将各机构产生的再生能量通过有源逆变装置回馈到电网,解决了能量的浪费问题,且对电网无污染,提高了调速系统的控制性能。
采用变频调速控制的起重机,当各机构电动机所传动的负载处于下降或制动过程中(电动机处于再生发电状态)时,会使变频器的直流母线电压升高。为了限制变频器直流母线端的电压,常规的方法是将其产生的再生电能通过外接制动电阻的形式消耗掉,这样就导致了能量的浪费。
针对上述电能浪费的问题,在调速控制系统设计时,采用共直流母线能量回馈系统技术,将各机构产生的再生能量通过有源回馈装置回馈到电网,从而有效减少了能量的浪费,且对电网无污染,提高了调速系统的控制性能。
共直流母线能量回馈调速系统(以下简称共母线回馈系统)采用单独的整流/回馈单元,为提供一定功率的直流电源,调速用逆变器直接挂接在直流母线上。当系统工作在电动状态时,逆变器从母线上获取电能;当系统工作在发电状态时,能量通过母线及回馈单元直接回馈给电网,以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。
共直流母线能量回馈变频调速系统主要硬件部分包括有源整流/回馈单元、逆变装置。
图1所示为有源回馈整流单元,其中有源回馈整流装置由自由换向绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)逆变器组成,该逆变器工作于电源侧,既可以把电源电压整流为恒定可控的直流电源,也能将能量回馈给电网。

共直流母线能量回馈系统的原理和在起重机上的应用

整流装置的IGBT在自然换相点触发导通,与电流流动方向无关。电流流动方向只取决于电源电压和直流母线电压。在电动运动状态下运行时,有电流流动期间,直流母线电压总是低于电源电压,电源通过二极管从电源流向直流母线;在发电(回馈)状态下运行时,有电流流动期间,直流母线电压总是高于电源电压,电流通过IGBT从直流母线流向电网。对于负载的变化,整流回馈装置能够快速做出反应,还可以随时改变电流流动方向。
有源滤波装置使实际产生的电流接近正弦波,有效抑制谐波。
逆变装置是一个采用IGBT技术的自换流逆变器。它将直流母线电压转变成频率和电压可调的电源,以满足电机平滑调速的目的。逆变装置为多传动系统设计,由控制单元控制。逆变装置之间通过公共直流母线相连,逆变装置从中间的直流回路获取能量并加以转换输出,从而驱动电动机运转。
传统的变频调速方案即是变频器加制动电阻的形式,起重机的各机构分别配备相应规格的变频器,变频器配备制动单元及制动电阻,各机构的变频器接到三相交流电网上,通过变频器驱动各机构电动机。图2所示为传统变频调速系统主回路单线图。
在由变频器、制动单元及制动电阻所组成的传统变频调速系统中,当电动机所传动的位能负载下放时,或当电动机从高速到低速减速时,电机所发出的电能通过制动电阻消耗掉,同时维持直流母线上的电压为一个正常值。
下面以某公司大型平头塔式起重机为例,详细介绍该系统在起重机上的应用。该平头塔机有四个驱动机构,分别为起升机构、变幅机构、回转机构和行走机构。

共直流母线能量回馈系统的原理和在起重机上的应用

图3所示为该平头塔机的共直流母线能量回馈变频调速系统主回路单线图。
从图3可以看出,塔机的电气控制系统采用的是公共直流母线的变频调速系统,系统框图从上到下分为四大部分:上位机部分、通信及控制单元部分、共直流母线整流回馈部分、逆变部分。起升、变幅、回转和行走四大机构分别采用一套逆变装置,共用一套回馈整流装置,4个机构的逆变装置连接到公共直流母线上,分别拖动电机运行。
三相交流电通过能量回馈装置,输出直流560V左右的直流母排电压,再通过各个机构的逆变器变成频率可调的交流电压,调速驱动各机构的电动机运行。当塔机只有某一个机构电动机处于制动状态时,所产生的电能通过整流回馈装置回馈到电网,在此期间如果有另一个机构处于正常运行状态,所回馈的能量优先用于另一个机构的使用,多余的电量才回馈给电网,保证了母线电压的稳定供给,提高了系统的稳定性。
以某公司同一型号、同一规格的两台大型平头塔式起重机为例,最大额定起重质量为100t,起升高度为100m,工作级别M5,一个工作循环时间约为24min,上升一次10min,下降10min,增幅90s,减幅90s,回转60s,行走使用频率极低,可忽略不计,各机构电动机功率见表1。 

共直流母线能量回馈系统的原理和在起重机上的应用

图3  共直流母线能量回馈变频调速系统主回路单线图 

共直流母线能量回馈系统的原理和在起重机上的应用

按照变频电动机和变频器的选型手册,通常电动机的效率1取0.89,变频器效率2取0.98,机械传动效率3取0.9,电动机传输的能量总效率

共直流母线能量回馈系统的原理和在起重机上的应用

分别对两台塔式起重机在同等工况下、同等高度、同一负载、一个作业周期内电动机分别采用变频调速和共直流母线变频调速的耗能对比见表2。

共直流母线能量回馈系统的原理和在起重机上的应用

从表2中数据可知,塔式起重机采用共直流母线调速在上升、变幅和回转时电动机耗能与采用变频调速在忽略制动时相同,共直流母线变频调速在下降时回馈能量,通过计算能量回馈率为24.5%,计算时忽略行走机构以及其他部件耗电量,实际回馈率要高于计算值。
5  共直流母线回馈系统的优缺点分析及选型注意事项
共直流母线系统是解决多电机传动技术的最优方案,能很好地解决多电机间电动状态和发电状态之间的矛盾。在同一系统中,同一时刻不同装置可工作在不同的状态,整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给,又将多余的能量回馈给电网,实现了再生能源的合理利用。
共直流母线系统设备结构紧凑,工作稳定。在多电机传动系统中省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备,从而解决了制动单元和制动电阻无空间摆放的难题,减少了设备故障点,提高了设备的整体控制水平。
首先,由于系统需要独立的能量回馈装置,且能量回馈装置的功率要考虑至少两个机构运行/回馈的容量,所以系统硬件配置成本投入较高,一般用户难以接受。

其次,系统硬件及软件配置较复杂,对主机厂电气技术人员的专业技术水平要求较高。一旦系统出现问题,用户的技术人员很难处理,给用户后期维修也增加了难度。

现在市面上有很多品牌和规格的整流回馈装置,硬件配备时一定要根据实际需要选择不同的整流回馈装置。以Siemens品牌为例,带回馈功能的整流单元有ALM型和SLM型,ALM为主动型可调节性整流模块,比SLM整流单元多了一个LC净网滤波器和一个AFE电抗器,能有效保证母线电压的稳定,从而减小回馈过程中谐波对电网的冲击,并确保变频调速系统的正常运行。
共直流母线能量回馈变频调速系统,能够有效避免再生能量的浪费,并将再生能量通过整流回馈装置回馈到电网,对于大型起重机,尤其是起升高度高、工作级别高、起升机构功率大的起重机,节能效果更显著,一般节电率可达25%左右,且瞬间停电不会跳脱停机,保证设备的安全,具有良好的社会效益。

本文编自2021年第1期《电气技术》,论文标题为“共直流母线能量回馈系统在起重机上的应用与分析”,作者为夏文艳。

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