关于共用直流母线及其并联改造的研究

吴凤英，翟献超

（天津理工大学自动化学院，天津 300384）

关于共用直流母线及其并联改造的研究

吴凤英，翟献超

（天津理工大学自动化学院，天津 300384）

对共用直流母线技术、SPDMR整流单元作了介绍并根据生产的需要采用母线并联技术对共用直流母线进行了升级改造。改造后不仅设备的能力得到充分开发，生产中也降低了电能的损耗，达到节能的目的；同时提高了生产节奏，可以轧制更高钢级品种；而且实现了设备冗余功能，极大地减少了故障时间和备件损耗。

共用直流母线技术；整流单元；直流母线并联

目前，无缝钢管企业对产品的质量及生产的节奏性要求越来越高。某无缝钢管生产企业热轧主轧线由5架共15台连轧电机和6台限动电机以及脱管电机组成。连轧5架15台电机电气传动部分分别采用1组直流母线控制，共分为5组；限动6台电机采用1主5从的控制方式，由1组直流母线控制。在实际生产中，在轧制时限动电机的能量回馈电网，而主轧机的能力略显不足，导致生产中既有大量电能浪费又无法轧制一些高钢级品种。同时，在使用过程中遇到过以下一些问题：在轧制钢种为27CrMo27S，27CrMo27Vs，28CrMo45V，1Cr5Mo，规格为244.48 mm×11.99 mm或244.48 mm×11.01 mm时，当连轧2架电机转速设定值超过1 000 r/min时，极容易出现电机过电流跳闸或连轧2架主传动柜直流母线在抛钢时出现过电压跳闸；某个整流单元故障后传动柜直接跳闸，导致现场抱棒堆钢等现象，造成生产工具的损耗和大量中间轧废；变压器故障造成长时间停产。

针对以上一些问题，经过研究发现，在轧制过程中连轧2架负荷最大，在其能力不足的同时，其它几架连轧主机能力有一定的富裕；在轧制过程中，限动电机加速时连轧主机是空载运行，而当咬钢之后连轧主机处于电动状态而限动电机处于制动状态，其能量可以互补使用。

目前有两种方案可以对该问题进行解决，一种是对设备进行整体升级，并对主回路和控制回路进行大的调整；另一种是采用母线并联技术对共用直流母线进行升级改造。

经过分析研究，方案1需要较多的资金费用以及需要较充裕的改造时间，因此在目前的条件下难以实现。方案2是对2组及其以上传动柜的直流母线进行并联组成更大容量的直流母线，改造后的母线上共使用6个整流单元（1主5从），同时母线电容量增加为原先的2倍，通过计算改造后当任意1个从的整流回馈装置出现故障时（比如快熔故障等），可以确保连续生产而不会有任何影响；2个整流回馈装置出现故障后，可以通过适当降低轧制速度或提高轧制间隔满足连续生产要求。因此通过对比分析，考虑资金及问题性原则，确定采用方案2进行改造。

1　共用直流母线

所谓共用直流母线就是将变频器分解为两部分，即整流部分与逆变部分。某无缝钢管厂连轧机组的电气主传动部分采用的是共用直流母线的多逆变器传动方案。其直流母线使用的是意大利安塞尔多公司的SILCOPAC SPDMR产品。SPDMR的主回路由2套反并联晶闸管组成的三相全控桥构成。这种拓朴结构与不可控的二极管整流桥相比，可以实现能量的双向可控流动且能省下给直流母线电容的预充电部分。由于系统采用合理的电压等级设计，该系统可以同二极管整流桥一样保证很高的网侧功率因数。SPDMR的控制部分采用电流环、电压环双闭环外加电压前馈、电流前馈功能块的控制方案。这种电流前馈、电压前馈功能块可以保证系统的动态响应足够快［1-2］。

变频器采用的是该公司的SVGT3000系列。SVGT3000变频器拥有V/f（压频比）、SLS（矢量开环）、FOC（矢量闭环）3种控制方式，共用直流母线采用单独的整流/回馈装置SPDMR，为系统提供一定功率的直流电源［3-4］。

2　直流母线并联

所谓直流母线并联就是对2组及其以上传动柜的直流母线进行并联，组成更大容量的直流母线。

我们选择负载最大最易出故障的限动及连轧2，3架直流母线进行并联改造，改造后的母线上共使用6个整流单元（1主5从），同时母线电容量增加为原先的2倍。

限动、连轧2架连轧3架母线并联，利用限动和连轧工作状态的不同，在毛管预插入阶段由连轧2，3架分担限动的加速负荷，在轧制阶段，利用连轧3架的能力余量和限动的制动能量来分担2架的负荷，避免了2架的过电压跳闸，并且可以减弱轧钢时电网压降造成直流母线电压降低对电机驱动能力降低的影响，可以轧制高钢级品种，提高产品竞争力。

母线并联结构可以减少负荷对整流单元和变压器的冲击，降低其故障发生率，并实现设备冗余，在某一整流单元或者变压器故障时可以继续生产。

3　项目实施

3.1硬件部分改造

1）首先根据并联整流回馈装置的进线电压相位一致的要求，将连轧3架与连轧2架整流变压器进行对调。这样连轧2架和连轧3架整流变压器分别满足要求。

2）将把原来的整流回馈装置均由RTTR升级为SPDMR，增加每个单元的控制环节以便适应主从选择要求。对SPDMR进行配置主要包括以下8个方面：①测试新的继电逻辑功能；②对新的配置进行测试；③对新增加的GIFOA触发板进行参数设置；④检查SPDMR各相间的同步服务；⑤测试打开环同时调整电压传感器；⑥测试控制电压。⑦测试SPDMR（1主5从）的配置结构；⑧检查自动化系统的信号连锁。

3）使用光纤触发控制代替原来的主从控制，增加GIFOA触发板。

4）对传动柜柜体结构进行改进以适应新增GIFOA板对柜体空间的要求。

5）敷设并联电缆及桥架，铺设新的通讯光纤，将所并联的传动柜直流母线首尾连接，如图1和图2所示。

图1　SPDMR光纤连接改造前Fig.1　SPDMR fiber connection before the transformation

图2　SPDMR光纤连接改造后Fig.2　SPDMR fiber connection after the transformation

3.2软件部分

新增继电逻辑功能，完成主从逻辑选择及故障管理等功能。更改逻辑控制电路，增加新的主从互锁选择控制，对零速等保护回路重新修改。

为升级后的SPDMR增加新的DP站，重新组态网络。修改程序，读取电压电流等到新的HMI画面。新的报警功能和故障预处理功能。重新配置Iba跟踪曲线。图3为新的HMI画面。

图3　改造后的HMI画面Fig.3　Reformed HMI screen

3.3系统主回路分析

如图4所示，三相750 V的交流电一路经过三相交流进线电抗器后送入SPDMR的正向桥整流后送出1 000 V的直流电；另一路经过750 V/930 V的升压自耦变压器后送入SPDMR的反向桥，这组桥的作用是将电机的制动能量回馈电网。整流后的直流母线串入直流平波电抗器以滤除电流谐波。中间直流回路并联了1个二极管D和大量的滤波电容C。这个二极管作用是在直流母线故障过电压情况下给电容的放电通道。

图4　系统主回路图Fig.4　Main Circuit of system

根据三相全控桥的电压计算公式：Ud= 1.35·UL·cosα（Ud为直流母线电压，UL为电网的线电压）由于UL=750 V,Ud=1 000 V系统在带载情况下，α角是完全打开的。此时的正向桥相当于二极管的不控整流桥。这种工作状态较之深度控制α角的晶闸管整流桥可以使进线侧的功率因数接近于1，但前提必须是系统带载。由于中间直流回路采用大电容作为滤波器，系统在不带载的情况下α角可以处于任意角度，只有带载的情况下对电容器的充电电流连续时α角才完全打开。根据现场实测，系统在不带载时功率因数只有0.4左右，一旦带载以后功率因数一般会达到0.93以上。

由于系统的整流方式相当于二极管的不控整流，所以系统的制动能量必须要通过升压的自耦变压器将这部分能量回馈到交流电网。升压自耦变压器在系统中起的作用为提高逆变过程中的最小逆变角βmin（1.35×930×cosβmin=1 000,其中βmin=37°）避免了由于变压器二次侧漏抗引起的换向重叠角而导致的逆变颠覆。

中间直流回路的滤波大电容是保证直流母线电压稳定的必要条件。系统规定只有母线电容量满足下述关系时才能保证母线电压的稳定而不会出现持续振荡。

式中：∑Ib为逆变器吸收的电流总和。

3.4限动连轧2，3架改造效果跟踪

如图5所示，改造前在轧钢过程中，限动高速插入时母线电流峰值一般是2 500 A左右。如图6所示，改造后是560×2=1 120 A左右；高速返回时峰值一般是5 000 A左右，改造后是1 100×2=2 200 A左右。说明改造后加速过程中由于6个柜子共同出力，减少了对限动整流单元的冲击。

图5　改造前跟踪曲线Fig.5　Front tracking curves

图6　改造后跟踪Fig.6　Post transformation tracking curves

改造前在轧钢过程中，限动电能回馈电网，这时有-750 A左右回馈，此时连轧2架电流约为2 000 A。改造后，限动能量回馈给连轧，这时2架电流是800 A左右。同时由于限动也是正组桥工作，减少了电网波动击穿晶闸管的可能性［5-6］。

4　结论

限动与连轧2架连轧3架组成大直流母线，在预插入阶段由连轧2，3架分担限动的加速负荷；在轧制阶段，限动由制动变成电动状态，减少了能量回馈损耗。经过计算和实际测试，限动电机速度超调由70 r降低为30 r，直流母线压降减少50 V，加速时峰值电流由近8 000 A降低为2 700 A，在轧制同品种时总能量损耗降低了5%～8%。

改造后利用连轧3架的能力余量和限动的制动能量来分担2架的负荷，避免了2架的过电压跳闸，并且可以减弱轧钢时电网压降造成直流母线电压降低对电机驱动能力降低的影响，可以轧制高钢级品种如27CrMo27S，27CrMo27Vs，28CrMo45V，1Cr5Mo等附加值高的产品，提高产品竞争力。

改造后不仅设备的能力得到充分开发，生产中也降低了电能的损耗，达到节能的目的；同时提高了生产节奏，可以轧制更高钢级品种；而且实现了设备冗余功能，极大地减少了故障时间和备件损耗。

［1］李波.公共直流母线系统在钢管生产线上的应用［J］.湖南冶金，2006，34（02）：34-36.

［2］许红兵.PROFIBUS-DP和公共直流母线技术在剪切线上的应用［J］.电气时代，2006，32（6）：118-119.

［3］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.第4版.北京：机械工业出版社，2007.

［4］韩安荣.通用变频器及其应用［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2003.

［5］王兆安，杨君，刘进军，等.谐波抑制和无功功率补偿［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2006.

［6］廖晓钟.电子技术与电气传动［M］.北京：北京理工大学出版社，2003.

Research on Reformation about Common DC Bus and Its Parallel Connection

WU Fengying，ZHAI Xianchao
（College of Automation，Tianjin University of Technology，Tianjin 300384，China）

The common DC bus technology，the SPDMR rectifier unit and the bus parallel technology were introduced，and the upgrading of the common DC bus was carried out according to the need of production.After transformation，equipment is not only the ability to get the full development，production also reduces the power loss，energy-saving purposes are achieved；at the same time，the production rhythm is improved，more high grade steel varietiesmaybevolled，butalsoredundantequipmentareachievd，thefailuretimeandsparepartslossarereducedgreatly.

common DC bus technology；rectifying units；DC bus parallel

TP391

B

2015-08-04

修改稿日期：2016-03-16

吴凤英（1961-），女，大学本科，Email：wufy8912@163.com