摘要：隨著機械設備復雜性的不斷增加，為了解決通用變頻器再生能量的回饋處理，提高器能量利用效率，在多電機傳動系統中引入的公共直流母線技術，在保證交流調速控制系統的恒定母線電壓時，將系統的再生能源回饋到電網，取得非常好的節能效果。根據公共直流母線技術的基本原理，列出了幾種常見的共直流母線技術方案，經實際應用表明，這些方案在節能以及提高系統控制精度方面有著良好的實用性。

關鍵詞：通用變頻器；整流/回饋；公共直流母線技術；逆變器；多電機傳動

一、序言

近年來，節能減排、發展低碳經濟已成全球共識。節能降耗，構建節約資源型、環境友好型社會已是當今社會發展的一個永恒的話題[1]。在制造業生產中，機械裝備綠色性能的優劣將直接決定產品制造過程對環境的影響，能源和資源的利用率是其主要考核指標；變頻調速是目前世界公認的理想的節電調速技術，其已經廣泛應用于各種調速系統中。在激烈的市場競爭中，發展綠色變頻器已經成為各變頻器廠家創新的重點。

在硬件設計電路中，通用型PWM變頻器并沒有將再生能量回饋到交流輸入電源的功能，因此當電機制動時，電機處于發電狀態，最終導致變頻器中的直流母線電壓升高，這部分升高的直流電壓使變頻器從電機吸收的能量保存在主回路的電解電容中[2]。由于電解電容的耐壓值和容量限制，其不可能無限制的存儲能量，為保證變頻器主回路器件的安全性，變頻器必須配備制動回路和制動電阻，當母線電壓升高到一定電壓值時，通過短時間接通制動電阻，變頻器將這部分升高的電能以熱能的方式消耗掉。所以在設計變頻器的主回路時，必須根據負載電機的功率及扭矩值，通過詳細的計算及冗余設計可以設計出滿足使用要求的制動單元，并以熱損耗的方式消耗電能，最終保持母線電壓的穩定。這種制動單元+制動電阻的工作方式其實是能量的一種巨大浪費。[2]

如果一個機械設備有多個傳動變頻器，采用能耗制動方式所帶來的浪費是巨大的。但是將多個變頻器的直流母線互連，這樣就可以在一個或多個電機處于發電狀態時將電機產生的再生能量傳給其他電動狀態的電機吸收使用了。在共用直流母線的工作方式下，如果還需要更快的制動能力或緊急停止，那么就需要額外選配一個制動單元和制動電阻，以便將系統中多余再生能量通過制動電阻消耗掉，針對頻繁制動的場合，可以通過回饋裝置將直流母線上升高的電壓回饋到電網中。[3]

二、公共直流母線控制系統的組成

公共直流母線是隨著電力電子技術的發展及不斷創新的控制理論而的產生的。公共直流母線技術的原理是基于通用變頻器均采用的交－直－交變頻方式，在交流輸入電壓值相同的情況下，整流出直流母線電壓值也是相同的。根據變頻器主回路硬件實現的功能，可分解為控制單元、整流/回饋和逆變單元３大部分。為了降低系統對電源質量的要求，通常由一個或數個單相限或四象限整流器構成整流回饋單元，逆變部分也可以有單臺或者多臺逆變器構成，整流單元和逆變單元通過公共直流母線連接起來[3]。

圖1變頻器的交－直－交控制原理圖

公共直流母線技術的優勢在于[5]：

a.公共直流母線技術的應用可以大大減少重復配置制動單元，硬件組成簡單合理；

b.公共直流母線可以減少交流輸入器件的成本，如交流輸入電抗器、接觸器等；

c.恒定的直流母線電壓，可實現可控的直流電壓，實現預充電功能；

d.系統中各電動機在不同狀態下工作，從再生制動回收能量，提高了系統效率，優化了系統的動態特性；

e.由于器件的減少，減少可電控柜的尺寸；

f.提高多傳動控制系統的可靠性。

2.1整流/回饋單元

整流/回饋單元的主要功能是把三相交流輸入電源轉換為電壓值恒定的直流電源，還可以通過創新的電源能量回饋功能，可以把電動機的制動能量回饋到電網中，并保持直流母線電壓在規定范圍內保持恒定，一般由2組反并聯的可控硅模塊組成其功率部分，通過可靠的控制算法，可實現電能在三相交流輸入電源和逆變器中間回路之間的整流和回饋，其原理示意圖見圖2。[4]

圖2整流/回饋單元原理圖

2.2逆變模塊

逆變模塊的功能是通過先進的控制理論和PWM斬波技術，把直流電壓轉化為三相交流電源，且電壓和頻率可調，從而實現電機調速的目的。逆變器系統的原理框圖如圖3所示[4]。

圖3逆變單元原理圖

三、公共直流母線系統的方案研究及特點

公共直流母線系統按照能量回饋的有無可以分為回饋型和無回饋型兩大類：帶有回饋單元的系統可將再生能量回饋至電網，適合于電機制動頻繁且制動功率大的場合進行應用；無回饋型系統通過公共直流母線將系統中的變頻器互聯到一起，再生能量被電動狀態的電機吸收利用，為了保證系統的安全性及制動效果，需要通過加裝功率和阻值合適的制動單元和制動電阻將可能出現的多余能量以熱量的形式耗散掉。在一些不需要頻繁制動的多傳動系統，這種無回饋功能的公共直流母線方案具有更高的性價比。目前，主要幾種共直流母線技術方案如下[5]。

3.1公共直流母線技術方案1

在該方案中，每臺變頻器仍舊采用傳統的交流供電方式，無需額外的整流單元，變頻器直流側并聯在一起，實現變頻器之間的能量傳遞。這種方案適用于系統中的變頻器功率等級相近的情況，即使斷開直流母線后每個變頻器還可以獨立使用，互不影響[7]。該方案具有以下特點：

•ç•¶ç™¼é›»èƒ½é‡é«˜äºŽé›»å‹•èƒ½é‡æ™‚，仍然需要能耗制動方式，消耗多余能量；

•åªå…è¨±åŒåŠŸçŽ‡ç­‰ç´šçš„變頻器直流并接；

•å¤šä½™çš„再生能量無法回饋至電網；

•åªèƒ½ä½¿ç”¨å¸¸è¦ï¼–脈波整流，５、７次諧波較高，無法配置12脈波系統；

•æ ¹æ“šåˆ¶å‹•åŠŸçŽ‡ä¾†åŠ è£åˆ¶å‹•é›»é˜»ã€‚

此方案可以應用于離心機的公共直流母線改造，實際應用中很重要的一點就是整個系統工作時必需充分考慮到交流輸入主回路的保護、所有變頻器的時序控制及安全互鎖、系統故障處理、負載類型等。

圖4公共直流母線技術方案1原理圖

3.2公共直流母線技術方案2

該方案采用獨立的二極管整流橋設計成整流單元，給所有變頻器統一供電，這種方案的特點在于：

•æ•´æµéƒ¨åˆ†å¯ä»¥æ ¹æ“šéœ€è¦é…ç½®æˆ12脈波整流方式，消除５、７次諧波，降低諧波對電網的干擾；

•ä¸åŒåŠŸçŽ‡ç­‰ç´šçš„變頻器可以共用直流母線；

•æ•´æµéƒ¨åˆ†é‡‡ç”¨å‚³çµ±çš„交直變換方式，動力配置簡單；

•ç‚ºäº†é¿å…å¤§é›»æµå°è®Šé »å™¨å…§éƒ¨å™¨ä»¶çš„沖擊，須配置預充電回路；

•ä¸åŒçš„工作狀態可實現變頻器之間能量傳遞；

•ç”±äºŽé‡‡ç”¨ä¸å¯æŽ§çš„整流電路，多余的再生能量仍然無法回饋至電網，為了實現能量回饋，需要單獨配置回饋單元；

•é ˆåŠ è£åŠŸçŽ‡åŒ¹é…çš„制動單元/制動電阻。

在造紙機械設備中要用到很多導紙輥傳動電機，由于其會頻繁的工作在制動狀態，設計時必須考慮到再生制動問題，如果單獨對每個變頻器配置制動單元和制動電阻，就會造成控制系統結構復雜。而采用共直流母線技術進行導紙輥控制系統設計，其優勢顯而易見：系統結構簡單；能量互補；減少故障點；提高系統的可靠性；降低成本。

圖5公共直流母線技術方案2原理圖

3.3公共直流母線技術方案3

該方案設計中使用可控硅整流橋為直流供電單元，通過對可控硅導通角的控制，達到直流母線電壓可控，并起到預充電的作用。該方案的應用特點如下：

•æ•´æµé›»è·¯å¯ä»¥æ ¹æ“šç³»çµ±è¦æ±‚配置成12脈波整流單元；

•ä¸åŒåŠŸçŽ‡ç­‰ç´šçš„變頻器可共用直流母線；

•å¯æŽ§ç¡…整流橋需要調試；

•éœ€è¦é…åˆ¶å‹•é›»é˜»ï¼æˆ–回饋單元；

•å–®è±¡é™æ•´æµæŽ§åˆ¶æ–¹å¼ï¼Œç„¡å›žé¥‹åŠŸèƒ½ã€‚

輪胎龍門吊在集裝箱下放過程中和大車、小車制動過程中，電機處于發電狀態，勢能轉換成的電能無法回饋到電網，因此剩余的電能只能通過直流側的制動單元流向制動電阻，變成熱能而消耗掉，造成極大的能源浪費，而通過采用共直流母線技術和安裝單相限可控整流及能量回饋裝置可以將這部分再生能量返回電網，進一步降低系統的能耗，實現綠色節能。

圖6公共直流母線技術方案3

3.4公共直流母線技術方案4

該方案采用四象限全控整流方式，前面介紹的幾種單相限變頻器器主要問題是整流電路的器件無法實現全控，能量無法回饋到電網，而該方案真正實現了整流及再生回饋功能，該方案具有以下特點：

•é‡‡ç”¨å¯æŽ§ç¡…作為整流器件，直流母線電壓可控，實現對電解電容的預充電作用；

•æ ¹æ“šè¨­è¨ˆè¦æ±‚，整流電路可以設置成12脈波整流系統，降低5、7次諧波；

•ä¸åŒåŠŸçŽ‡ç­‰ç´šçš„變頻器可共用直流母線；

•å…·æœ‰å›žé¥‹åŠŸèƒ½å¯ä»¥å¯¦ç¾å¤§çš„再生容量；

•ç›´æµå´çš„輸出受器件所限容量有限；

•å¯æŽ§æ•´æµåŠèƒ½é‡å›žé¥‹é«˜å‹•æ…‹éŸ¿æ‡‰ï¼Œç›´æµæ¯ç·šé›»å£“不受負載波動影響；

圖7公共直流母線技術方案4

以上列出了4種共直流母線技術方案，并對每種方案的特點進行了闡述。正如本文之前的介紹，公共直流母線技術是解決多電機傳動技術的最優方案，在相同的傳動系統中由于不同的時間內每個變頻器都會處在不同的工作狀態，而共直流母線技術解決了電機的發電和電動狀態實現能量相互轉換的問題。系統中的整流回饋單元所具有的整流和回饋功能，不但為系統提供穩定的直流電壓供給，還可以實現預充電功能，又將再生能量回饋給電網，提高了系統效率[2]。

采用公共直流母線技術的多傳動系統在結構上更加緊湊，且由于減少了多余的整流和制動單元，減少了設備故障點，提高了設備的可靠性。[7]

4、結束語

公共直流母線技術目前已經在起重機、輥道、離心機等多電機傳動的場合得到廣泛的應用，是變頻調速系統的一種創新發展，實際應用表明這種方式比傳統的能耗制動方式節能進25%，它在提高系統的動態性能的同時可以將制動產生的能量回饋至電網，提高了能量利用率,應用前景十分廣闊，并且由于系統中減少了能耗電阻，電控柜的溫升也極大的降低，設備因熱故障停機的比率幾乎為零。公共直流母線技術具有較好的應用推廣前景。

參考文獻

[1]彭近新.全球綠色低碳發展及其對中國的啟示.綠葉.2011年第7期

[2]李方圓.通用變頻器共用直流母線方案的設計與應用.電工技術雜志.2004年第6期

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[4]俞宏亮,顧春雷,王建中.共用直流母線SPDMR的設計原理及應用.電氣傳動.2009年第1期

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

[6]白獻剛,夏乃學,貢俊鵬,熊彥梅.通用變頻器共直流母線在離心機上的應用.電氣時代.2010年第9期

[7]趙瑞林.共用直流母線變頻器方案的設計.自動化技術與應用.2013-11

作者：丁云飛，1978年生，高級工程師，工學學士，一直從事高檔數控機床、全數字總線數控系統及伺服驅動等產品的研發項目管理及品質管理工作。