西門子整流回饋單元的預充電和主回路控制

趙 欣

( 洛陽有色金屬加工設計研究院，河南 洛陽 471039 )

隨著工業電氣自動化技術的不斷發展與成熟，在熱軋機組等多臺單體設備電氣控制系統中，我公司選用了西門子公司S120交流多傳動控制系統。西門子S120交流多傳動控制系統的供電模塊主要分為三大類：

⑴基本型電源模塊(Basic Line Module)，簡稱BLM。

⑵非調節型電源模塊(Smart Line Module)，即整流回饋單元，簡稱SLM。

⑶調節型電源模塊(Active Line Module)，即作為升壓器工作的自控供電/再生饋電裝置，簡稱ALM。

我公司近幾年主要選用了非調節型電源模塊，即整流回饋單元(SLM)，再加上其他配套的電機模塊(即矢量控制的逆變器)、CU320控制單元等擴展系統組件，設計了多套西門子S120交流多傳動控制系統。

1 交流多傳動控制系統的主要性能特點

在交流多傳動控制系統中，采用了公共直流母線技術。它是在多電機交流調速系統中，采用單獨的整流回饋單元為公共直流母線提供一定功率的直流電源，即通常所說的交流變直流(AC/DC)；調速用逆變器直接掛接在公共直流母線上,完成電機驅動的工作，即通常所說的直流變交流(DC/AC)。當系統工作在電動狀態時，逆變器從母線上獲取電能；當系統工作在發電狀態時，能量通過母線及整流回饋單元直接回饋給電網。在使用多臺逆變器工作的場合，各個逆變器在生產線處于電動狀態或發電狀態，通過公共直流母線可直接進行能量交換；在短時頻繁起動/制動操作時，整流回饋單元內的電容可以短時充放電來保持直流母線電壓的穩定，減小了起動/制動操作時對電網和電氣設備的沖擊。

綜合交流多傳動控制系統的性能特點，整流回饋單元保證了公共直流母線電壓的穩定供給，又能將能量回饋給電網，實現了能源的合理利用；公共直流母線系統設備結構緊湊，工作穩定；在多電機傳動系統中省去了大量的制動單元、制動電阻等外圍設備，節省了設備占地面積，減少了設備維護量，減少了設備故障點，提高了設備的整體控制水平。對工程設計人員來說系統配置更加靈活，使用更加方便。

交流多傳動控制系統通常由整流回饋單元、公共直流母線、逆變裝置、其他控制單元等組成。回饋單元可分為通過自耦變壓器的能量回饋和不通過自耦變壓器的能量回饋兩種方式。通過自耦變壓器的能量回饋可提高回饋支路中的電源電壓，目的是在能量回饋過程中不必降低中間回路電壓，使得逆變器能夠獲得一個較恒穩的直流電源。西門子的整流回饋單元的回饋電路采用IGBT功率元件，能進行穩定的能量回饋，能量回饋持續效率達100%，不需要自耦變壓器可完成能量回饋控制。

圖1為整流回饋單元SLM的供電電路框圖。

2 預充電和主回路合閘控制

2.1 預充電工作特點

預充電就是由整流回饋單元給整流回饋裝置和逆變器裝置中的直流母線電容充電。因為直流母線上有大電容存在，我們知道，電容是一個儲能元件，電容并聯在電源兩端的時候，當電源接通瞬間，電容兩端的電壓不會突變，而電容兩端的電流會突變，剛接通電源瞬間，電容器兩端相當于短路，這是電容器的工作原理所決定的。此時如果沒有預充電電路，那整流器的電子功率器件(如二極管等)就會因為短路而損壞。預充電電路在這里起到了限制電源接通瞬間對電容器充電電流的作用，電流通過預充電電阻后，控制充電電流，以保護整流器的電子功率器件不會因電流沖擊過大而損壞。

圖1 整流回饋單元SLM的供電電路框圖

在充電工作結束前，電容內若沒有充滿能量，則電路中電容的充電電流會非常大，會引起過流現象，因此禁止強制閉合主接觸器或主斷路器。啟動時要遵守非調節型電源模塊的合閘邏輯，啟動順序主要是：啟動——預充電——裝置充電結束確認——主開關(或主接觸器)合閘控制——整流回饋單元工作。

2.2 進線框架斷路器的控制邏輯

當整流回饋單元的容量較大，進線電流較大時，如進線電流 >1000A，進線的主開關可設計選用框架斷路器，框架斷路器的合閘控制邏輯見圖2。

圖2 進線框架斷路器的合閘控制邏輯圖

如圖2所示，西門子整流回饋單元SLM啟動的時序是，當用戶給出合閘命令后，整流回饋單元首先控制內部的預充電回路工作，給直流母線上的電解電容進行預充電，當直流母線電壓達到額定值的 80%之后，來自整流回饋單元SLM端子排X9的3號端子和4號端子閉合，這樣KA1 線圈得電，閉合欠壓脫扣器回路，使欠壓脫扣器得電，經過一定的延時后，合閘準備就緒觸點PF閉合，使合閘線圈得電，框架斷路器合閘，主回路接通，整流回饋單元進入運行狀態。

如圖2所示，如果沒有欠壓脫扣器，在整流回饋單元沒有完成預充電工作的情況下，如果直接閉合框架斷路器，使三相交流電壓通過主回路的二極管橋直接加到了直流母線的電解電容上，這樣瞬間的電流就會非常大，會造成整流回饋單元嚴重的故障，甚至會造成整流回饋單元的電氣元件損壞。

把欠壓脫扣器引入到合閘控制邏輯中后，在線圈KA1得電后，欠壓脫扣器才會得電，框架斷路器進入到合閘準備就緒狀態，合閘線圈才得電，框架斷路器的主觸頭才會閉合。否則框架斷路器就不會進入到合閘準備就緒狀態，此時采用其他方式去合框架斷路器，都無法使框架斷路器閉合。而線圈KA1是由整流回饋單元SLM端子排X9的3號端子和4號端子來控制的，如果整流回饋單元沒有完成預充電工作，則端子排X9的3號端子和4號端子不會閉合，線圈KA1不會得電，框架斷路器就無法閉合，防止了在整流回饋單元沒有完成預充電的情況下，就去合框架斷路器而造成的整流回饋單元的故障和損壞。

2.3 整流回饋單元SLM的控制方式

整流回饋單元SLM的控制方式有兩種：

① 本地合閘/分閘控制；

② 遠程PROFIBUS-DP通訊合閘/分閘控制。

以上兩種控制方式主要在控制單元(Control Unit)CU320來完成，控制單元CU320是一個中央控制模塊，模塊上主要有下列接口：PROFIBUS接口；DRIVE-CLiQ接口，RS232串行接口；數字量輸入端口；數字量輸入/輸出端口等。圖3為帶有二個CU320控制單元的網絡配置圖。

圖3中DRIVE-CLiQ接口為實時串行通訊，用于連接所有的SINAMICS驅動組件，如電源模塊或電機模塊等，通過DRIVE-CLiQ接口連接，可完成對單個或多個電源模塊或電機模塊的控制功能。

PROFIBUS端口，用于連接如可編程控制器(PLC)或人機界面(HMI)等上位控制器主站，CU320作為PROFIBUS從站。上位控制器主站通過PROFIBUS-DP通訊網絡，實現主站對從站的通訊控制。

圖3 帶CU320控制單元的網絡配置圖

通過遠程PROFIBUS-DP通訊合閘/分閘控制，上位控制器可以對兩臺或三臺整流回饋單元SLM同時完成合閘/分閘控制，這樣整流回饋單元可同時給公共直流母線上的電解電容進行預充電。當公共直流母線上的逆變器數量較多，總功率較大時，電解電容的并聯容量也較大，同時進行預充電可縮短充電時間，增加預充電控制的可靠性。通過PROFIBUS-DP通訊網絡，上位控制器也可以讀取整流回饋單元的狀態信息，便于監控和維護。

3 結束語

交流多傳動控制系統具有很好的經濟性和適用性，廣泛應用在冶金等行業中。當整個生產線上的多臺逆變器接入交流多傳動控制系統時，要保證連接在公共直流母線上的多臺逆變器正常工作，整流回饋單元作為公共直流母線上的供電單元，可靠性要求更高。做好預充電和主回路的合閘控制等調試工作，才能使整流回饋單元可靠運行，保證交流多傳動控制系統正常工作運行。