公共直流母线系统在钢管生产线上的应用

１前言
随着交流传动技术的发展， 交流传动控制 技 术 象 ＡＢＢ 的 直 接 转 矩 控 制 ＤＴＣ （ Ｄｉｒｅｃｔ Ｔｏｒｑｕｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ） 技术、西门子的矢量控制技术 以其优异的性能逐渐代替了传统的直流传动技 术， 成为了传动技术的发展趋势。而在交流传 动中， 公共直流母线技术因为节能、占用空间 小、故障率低， 故在近几年备受关注。
２．２．２ 晶闸管供电单元 该单元硬件结构为三相桥式晶闸管整流＋
反并联三相桥式晶闸管回馈单元， 即两个六脉 波晶闸管桥。正桥将三相交流电转换成直流 电， 然后通过中间的直流环节将电能输送给传 动部分 （ 逆变器） 。无论何时当需要将电机制 动能量回馈给电网时， 直流母线上多余的能量 通过反桥就会将直流电转换成交流电。整流桥 的出发角可以自动进行调整， 从而保证中间直 流电路的电压处在比较稳定的水平。同样为了 消除反馈到电网的谐波分量， 将六脉波的晶闸 管桥并联组合成十二 ／十二脉波或十二 ／六脉波 的整流单元。十二 ／六脉波这种配置适用于最 大 逆 变 功 率 小 于 或 等 于 额 定 整 流 功 率 的 ５０％ 的场合， 相对于十二 ／十二脉波的配置节省了 一个六脉波的整流桥。值得注意的是晶闸管供 电单元一般需要一台自耦变压器， 可以提高晶 闸管有源逆变桥的换流能力， 自耦变压器可以 将有源逆变 桥 的 电 压 提 高 ２０％， 提 高 了 逆 变 桥 的换流能力， 和抗电源电压脉动的能力， 可以 使 其 在 制 动 时 直 流 侧 的 电 压 保 持 在 １００％ 的 水 平。这种供电单元价格居中， 适用于频繁回馈 较大能量的场合。但这种方法对电源的稳定性 要求较高， 一旦突然停电， 将发生逆变颠覆。
缺点进行了比较和描述。
关键词： 公共直流母线； 二极管整流供电单元； 晶闸管供电单元； ＩＧＢＴ 供电单元 中图分类号： ＴＧ３５６．５５ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００５ — ６０８４ （ ２００６） ０２ — ３３ — ０３
ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮ ＯＦ ＣＯＭＭＯＮ － ＤＣ － ＢＵＳ ＩＮ ＴＨＥ ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ ＬＩＮＥ ＯＦ ＳＴＥＥＬ ＴＵＢＥ
（ ３） 多传动方案， 即公共直流母线方案。 公共直流母线的供电采用公共整流单元， 各电
收稿日期： ２００５ — １２ — ２０ 作者简介： 李 波 （ １９７２ —） ， 男， 大学， 主要从事电气自动化技术改造工作。
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湖南冶金
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．２
机回路选择逆变器接在直流母线上。公共直流 母线多传动系统具有的优点： 一是节能， 制动 的能量回馈到直流母线上首先补充其它逆变器 所需要的电动能量， 多余的能量再回馈到电网； 二是动态性能好； 三是因为不需外置的制动电 阻和制动单元， 所以成套电器柜的数量少和体 积小； 四是由于多套逆变装置共一套整流供电 单元， 备件准备量少， 运行经济。不足之处是 多传动系统比单传动系统技术稍复杂， 价格略 高。这种方案适用于各设备动作关联程度较高， 集中密集型生产线上。公共直流母线结构如图 １ 所示。
《 湖南冶金 》征稿、征订启事
《湖南冶金》创刊于 １９７３ 年， 是由湖南省冶金企业集团公司和湖南省金属学会主办， 由湖南省 冶金材料研究所承办的面向全国的综合性冶金科技期刊。主要报道黑色和有色金属地质、采、选、 冶、加工、粉冶、焦化、环保等方面新的科研成果、学术论文和用高新技术改造传统产业的新发展。 特别是金属新材料和冶金新工艺等领域的新成果， 是本刊近年报道中的重点。
本刊是湖南省一级科技期刊， 内容丰富， 紧贴前沿， 资料性好， 可读性强， 为中国学术期刊综 合评价数据库 （ ＣＡＪＣＥＤ） 统计刊源期刊、《中国核心期刊 （遴选） 数据库》、中国期刊全文数据库、 中文科技期刊数据库、 《中国金属文献数据库》、 《中国冶金文摘》、 《中国无机分析化学文摘》等 著名数据库和检索刊物的收录与文摘对象， 是被国家大型图书馆和冶金、材料类院校， 科研机构和 厂矿企业作为藏书。
（ ２） 单 象 限 单 传 动 ＋ 制 动 单 元 和 制 动 电 阻。这种变频器使用最多， 其优点是技术要求 低， 回路增减灵活， 价格稍便宜； 不足之处是 制动电阻和制动单元需另外占较大布置空间， 动态性能略差， 不节能 （ 制动能量消耗在电阻 上） 。这种方案适用于设备较分散， 各设备动作 的关联性不高或无关联性， 较分散的生产线上。
晶闸管整流供电单元结构如图 ３ 所示。
２００６ 年第 ２ 期
李 波： 公共直流母线系统在钢管生产线上的应用
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图 ３ 晶闸管整流供电单元结构
２．２．３ 绝缘栅极晶闸管供电单元 该单元其功率器件为门极可控的绝缘栅极
晶 闸 管 ＩＧＢＴ。 六 个 ＩＧＢＴ， 六 个 续 流 二 极 管 ， 三个直流电容组成一个 ＩＧＢＴ 供电模块， 为了满 足大功率的输出， ＩＧＢＴ 供电模块可以并接成较 大的结构。绝缘栅极晶闸管供电单元既可以通 过自己的功率单元对直流母线上多余的能量进 行回馈， 同时也可在绝缘栅极晶闸管供电单元 的直流母线上带制动单元和制动电阻消耗多余 的能量。这种供电单元具有很好的特性： 谐波 成分低； 功率因素不随负载变化， 保持为 １； 电 动状态与发电状态的转换快速而平稳。由于价格 较贵， ＩＧＢＴ 供电单元一般用于高性能特殊场合。 绝缘栅极Leabharlann 闸管整流供电单元结构如图 ４ 所示。
２．２ 公共直流母线配置方案 公共直流母线供电单元根据整流单元的功
率元器件种类不一样， 有三种配置方案。 ２．２．１ 二极管整流供电单元
该单元硬件结构为六脉波的半控整流桥， 上半桥是 ３ 个晶闸管， 下半桥是 ３ 个二极管。 二极管 — 晶闸管桥的六脉波的功能不同于六脉 波晶闸管桥的功能。触发脉冲的控制有两种模 式： 充电模式和正常模式。刚开始起动时整流 单元为充电模式， 当直流母线上的电压达到一 定值后， 装置自动切换到正常模式。在充电模 式 下 ， 每 １２０°的 周 期 内 ， 就 发 出 一 个 单 脉 冲 。 在正常模式下， 每 １２０°的周期触发晶闸管两次， 触发角是 ０°， 表明整流桥按 照 六 脉 冲 二 级 管 桥 的模式工作。二极管整流单元仅对交流电压整 流。它不能将制动能量回馈给电网， 母线上的 多余能量只能通过在直流母线上配置一个制动 单元和制动电阻将能量释放， 当单位时间内直 流母线上的回馈能量太多， 而电压达到一定的 阙值后， 制动单元工作， 将多余的能量通过制
２ 公共直流母线结构、性能及配置 方案
２．１ 公共直流母线结构及性能 根据交流传动装置的使用经验， 传动装置
的配置有以下几种结构形式。 （ １） 四象限单传动装置。这种变频器自带
整流回馈单元， 其优点是配置灵活， 性能好， 能量可以回馈电网； 不足之处是体积大、价格 贵。一般用于独立机组单台电机且要求频繁正 反转的负载。
ＬＩ Ｂｏ
（ Ｈｅｎｇｙａｎｇ Ｓｔｅｅｌ Ｔｕｂｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．， Ｈｅｎｇｙａｎｇ ４２１００１， Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ： Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ － ＤＣ － ｂｕｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｌｉｎｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｍｏｒｅｏｖｅｒ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｐｌａｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ － ｄｒｉｖｅｒｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ａｎｄ ｄｅｐｉｃｔｅｄ． ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ： ｃｏｍｍｏｎ － ＤＣ － ｂｕｓ； ｄｉｏｄｅ ｃｏｍｍｕｔａｔｉｏｎ ｓｕｐｐｌｙ ｕｎｉｔ； ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ ｓｕｐｐｌｙ ｕｎｉｔ； ＩＧＢＴ ｓｕｐｐｌｙ ｕｎｉｔ
动电阻消耗。如果电网对谐波的要求比较高， 二极管供电单元可以配置成六脉波， 十二脉波 或二十四脉波的传动系统， 消除相关阶次的谐 波。这种供电单元价格较便宜， 一般用于回馈 能量不多、起停速度要求不快的场合。二极管 整流供电单元结构如图 ２ 所示。
图 ２ 二极管整流供电单元结构
图 １ 公共直流母线结构
图 ４ 绝缘栅极晶闸管整流供电单元结构 公共直流母线多传动系统的逆变单元， 其硬
件结构与绝缘栅极晶闸管供电单元几乎完全相同， 六个 ＩＧＢＴ， 六个续流二极管， 三个直流电容组 成一个 ＩＧＢＴ 供电模块， 为了满足大功率的输出， ＩＧＢＴ 供电模块可以并接成较大的结构。
速度快， 定位精度高， 许多装置要求快速起停， 而且起停频繁。根据工艺要求， 流水线生产电 机的工作状态也不一致， 在同一时间电机有停 止运行的、正在制动运行的、正在起动运行的、 也有平稳运行的。比如生产线上连轧机的主传 动五个机架， 工艺和机械要求的工作负荷分别 为： ２ ２００、２ ８００、２ ８００、１ ９００ 和 ９００ ｋＷ， 空 载运行时每个机架的负荷很小， 但是咬钢时瞬 间负荷可以达到额定功率的 ２．５ 倍， 轧制完成抛 钢时， 负荷也是瞬间降下来的， 制动时间短， 回馈的制动能量非常大。并且五个机架是依次 咬钢、抛钢， 也就是说五机架的电机不是同时 达到最大负荷的， 正常生产时有的在咬钢 （ 电 动状态） ， 有的在抛钢 （ 发电状态） ， 有的在稳 定运行。如果选择传统的单台交 — 直 — 交变频 器， 根据负荷要求， 则连轧机五个机架的整流 单元必须按照额定负载的 ２．５ 倍选择， 容量相当 大， 而且占用的空间也大， 尤其是直流母线上 多余的能量通过制动电阻发热消耗掉， 很不经 济， 同时每套传动装置一套整流单元， 相对来 说增加了故障点， 不利于流水线的连续生产。 如果选择公共直流母线的方案， 由于五机架不 能同时达到最大负荷， 且考虑同时有电动和发电 状态， 故根据每个机架的负荷曲线， 结合轧制周 期， 以及尖峰负荷重叠情况， 最终选择容量为三 个 ７ ＭＶＡ 并联的整流单元就能满足生产的要求。
在方案选型的阶段， 该公司根据主传动、辅 助传动及不同的区域对传动性能要求不一样， 而 选择不同的整流单元 。 穿 孔 机 （ 两 台 ５ ０００ ｋＷ 电机） 、连轧机、脱管机 （ 九台 １３２ ｋＷ 电机 ） 、 定径机 （ 三十六台 ８０ ｋＷ 电机） 等 主 传 动 要 求 动、静态响应速度快， 芯棒循环区、穿孔区的 辅助传动要求定位精度高、频繁快速起停， 因 此选择了性价比较高的晶闸管整流供电单元。 定径区、精整区的辅助传动大部分是辊道和横 移链， 要求不高， 选择了二极管整流供电单元。