連退機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)預(yù)充電回路原理及應(yīng)用

張晉峰?劉靖?張興

摘 要：預(yù)充電單元是電壓源型交流變頻裝置的重要組成部分，用于在逆變器投入運(yùn)行前給逆變單元內(nèi)置電容元件安全充電，避免上電時(shí)強(qiáng)大的沖擊電流燒損功率模塊和內(nèi)置電容。針對(duì)連退機(jī)組傳動(dòng)裝置的原有設(shè)計(jì)問題，在分析研究預(yù)充電回路運(yùn)行原理的基礎(chǔ)上，通過設(shè)備改造增加了開卷機(jī)和卷取機(jī)的逆變單元預(yù)充電回路，具備了該傳動(dòng)裝置獨(dú)立故障處理?xiàng)l件，消除了機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)的設(shè)備隱患，為持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)提供了設(shè)備支撐。

關(guān)鍵詞：預(yù)充電；逆變單元；變頻裝置

THE PRINCIPLE AND APPLICATION OF PRE-CHARGING CIRCUIT OF THE DRIVE EQUIPMENT IN THE CONTINUOUS ANNEALING LINE

Zhang Jinfeng Liu Jing Zhang Xing

（Shougang Zhixin Qian 'an Electromagnetic Material Co.Ltd. Qianan 064400，China）

Abstract：Pre-charging units are an important component of voltage-source AC frequency converters， used to safely charge the internal capacitors of the inverter unit before it starts operating， to prevent strong surge currents from damaging the power modules and internal capacitors during power-up. However， in response to design issues with the drive unit of the continuous annealing line， this paper analyzes the operating principles of pre-charging circuits and adds pre-charging circuits for the inverter unit of the uncoiler and recoiler through equipment modification. As a result， the drive system now has independent fault handling capabilities and the potential for unplanned unit shutdowns due to equipment hazards has been successfully eliminated， providing equipment support for continuous stable production.

Key words：pre-charging；inverter； frequency converter

1 連退機(jī)組變頻裝置的使用問題

1.1 變頻裝置組成結(jié)構(gòu)

連續(xù)退火機(jī)組主傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是西門子6SE70系列三相交流電壓源型交直交變頻裝置[1] ，由一套裝機(jī)裝柜型整流單元，和若干臺(tái)書本型、裝機(jī)裝柜型逆變單元構(gòu)成。按照生產(chǎn)工藝的需求，連退機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)由主傳動(dòng)和輔傳動(dòng)兩部分組成，均采用了交直交變頻控制系統(tǒng)。其中，整流單元具有直流輸出電壓可控的預(yù)充電功能，在整套傳動(dòng)系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí)，由整流單元通過中間直流母排給所有逆變單元進(jìn)行預(yù)充電，經(jīng)過預(yù)設(shè)定的充電時(shí)間后，直流電壓達(dá)到所要求的幅值，傳動(dòng)系統(tǒng)才具備正常運(yùn)行的條件。

1.2 存在的問題

在連退機(jī)組工程建設(shè)期間，考慮到某些相關(guān)因素，卷取機(jī)的逆變單元主電源通過電纜直接引自中間直流母排，二者之間沒有獨(dú)立負(fù)荷隔離開關(guān)，不具備單獨(dú)斷開電源退出運(yùn)行的功能。

開卷機(jī)的逆變單元與中間直流母排之間僅配置了熔斷開關(guān)，用于在逆變單元停機(jī)維護(hù)和更換時(shí)建立有效的能源隔離點(diǎn)，確保設(shè)備和人員安全。在該逆變單元故障恢復(fù)時(shí)，由于缺少該逆變單元單獨(dú)用的預(yù)充電回路。因此，為了恢復(fù)開卷機(jī)的逆變單元，必須停止整流單元對(duì)應(yīng)的所有逆變單元，重新執(zhí)行該傳動(dòng)系統(tǒng)的恢復(fù)流程，才能完成開卷機(jī)的逆變單元預(yù)充電。

綜上所述，在連退機(jī)組工程建設(shè)期間，傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善問題給機(jī)組生產(chǎn)運(yùn)行帶來了潛在隱患，不僅直接影響了機(jī)組正常的生產(chǎn)，而且給企業(yè)運(yùn)營(yíng)造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。

2 預(yù)充電回路的原理及選型

2.1 結(jié)構(gòu)組成

通常，變頻裝置的動(dòng)力回路分為主運(yùn)行回路和預(yù)充電回路兩部分。其中，預(yù)充電回路由單獨(dú)的接觸器、逆變單元內(nèi)置的電容組和外置的預(yù)充電電阻組成，在變頻裝置上電運(yùn)行時(shí)，通過相關(guān)的控制回路實(shí)現(xiàn)主運(yùn)行回路和預(yù)充電回路之間的切換。

2.2 電氣原理

預(yù)充電回路是一個(gè)典型的一階RC串聯(lián)電路如圖1所示，電容C1為逆變單元內(nèi)置電容組，預(yù)充電電阻R1需要根據(jù)中間直流回路的電壓幅值和電容組的電氣特性計(jì)算后選型確定。

假設(shè)電容C1初始狀態(tài)無電量，根據(jù)基爾霍夫KVL電壓定律，可知：

dUC1

UV1=R1×C1×———+ UV1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

dt

解方程，可得：

UC1=UV1-UV1e-t/T=UV1（1-e-t/T）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，時(shí)間常數(shù)T=R1×C1。

假設(shè)直流電源電壓為U=540 V，R=27 kΩ，C=6 000 uF，那么，時(shí)間常數(shù)T為650 s。

在各個(gè)時(shí)間周期內(nèi)電容電壓幅值隨時(shí)間的變化曲線如圖2所示，經(jīng)計(jì)算可知，經(jīng)過3-5個(gè)時(shí)間周期T后，充電過程基本結(jié)束。

2.3 預(yù)充電電阻選型

預(yù)充電電阻選型，主要是確定三個(gè)技術(shù)參數(shù)：電阻阻值R、電阻平均功率PA、電阻峰值功率PP。假設(shè)直流電源電壓為UV，預(yù)充電時(shí)間為As，電容容量為CuF，那么：

1）電阻阻值。

按照上述預(yù)充電電壓變化曲線可知，經(jīng)過4個(gè)RC時(shí)間周期后，電容充電過程基本完成，那么，可以計(jì)算出電阻阻值：

A

R= —— ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

4C

2）電阻平均功率。

已知電容充滿電時(shí)的能量為EC=0.5CU2，那么在預(yù)充電過程中電阻的平均功率為：

0.5×C×U2

PA= —————— ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

A

3）電阻峰值功率PP。

預(yù)充電電阻峰值功率工作點(diǎn)處于電容為零狀態(tài)的充電時(shí)刻，此時(shí)電阻功率為：

U2

PP= —— ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

R

3 預(yù)充電回路的控制原理

3.1 控制信號(hào)

1）預(yù)充電開始指令信號(hào)。

預(yù)充電開始指令信號(hào)采用內(nèi)部控制字信號(hào)，通過參數(shù)設(shè)定關(guān)聯(lián)到CUVC板輸出量端子，從而控制預(yù)充電回路中間繼電器，實(shí)現(xiàn)變頻器裝置預(yù)充電啟動(dòng)動(dòng)作。

控制字相應(yīng)位說明如下：

位0：ON/OFF命令（↑ON）（L“OFF1”）。

條件：在開機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)（009）從L→H上升沿發(fā)生。

結(jié)果：預(yù)充電（010）。

主接觸器（選件）/旁路接觸器，如有則接通。

直流回路進(jìn)行預(yù)充電。

2）預(yù)充電完成狀態(tài)信號(hào)。

預(yù)充電完成信號(hào)采用內(nèi)部狀態(tài)字位，對(duì)應(yīng)于逆變單元上的開關(guān)量輸出端子，實(shí)現(xiàn)預(yù)充電回路和主回路接觸器切換。

狀態(tài)字相應(yīng)位說明如下：

位1：“運(yùn)行準(zhǔn)備”信號(hào)（H）。

高信號(hào)：預(yù)充電（010）或運(yùn)行準(zhǔn)備（011）狀態(tài)。

意義：預(yù)充電已完成。

3.2 控制回路原理

逆變單元?jiǎng)恿芈返脑砣鐖D3所示，在直流中間母線與逆變單元進(jìn)線端之間，由熔斷開關(guān)、主運(yùn)行回路和預(yù)充電回路共三部分組成[2] 。

當(dāng)傳動(dòng)裝置處于待機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)時(shí)，進(jìn)線熔斷開關(guān)處于手動(dòng)合閘狀態(tài)；在投用逆變單元時(shí)，首先，從HMI界面上手動(dòng)完成合閘上電操作，自動(dòng)化系統(tǒng)通過控制字控制逆變單元開始預(yù)充電；當(dāng)預(yù)充電電壓達(dá)到預(yù)設(shè)定電壓時(shí)，逆變單元通過內(nèi)部狀態(tài)字關(guān)聯(lián)的控制端子的方式，完成預(yù)充電回路與主回路的切換，此時(shí)，逆變單元處于運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)如圖 4所示。

4 結(jié) 語

傳動(dòng)設(shè)備是連退機(jī)組的重要組成部分，必須具備日常運(yùn)行和獨(dú)立的故障處理作業(yè)條件。由于冷軋連退機(jī)組原工程建設(shè)期間，傳動(dòng)裝置內(nèi)部預(yù)充電回路設(shè)計(jì)不完善問題，給機(jī)組埋下了非計(jì)劃全線停機(jī)的隱患。本文從預(yù)充電系統(tǒng)入手，在介紹預(yù)充電回路工作原理和元件選型的同時(shí)，分析了西門子傳動(dòng)裝置內(nèi)部控制原理，從而通過制定現(xiàn)有傳動(dòng)裝置優(yōu)化方案，并組織實(shí)施設(shè)備改造，實(shí)現(xiàn)了逆變單元獨(dú)立故障作業(yè)，不僅消除了原有全線非計(jì)劃停機(jī)的隱患，而且為機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1] 張福鈞.變頻器預(yù)充電單元改造[J].今日科苑，2008（14）：84.

[2] 趙欣.西門子整流回饋單元的預(yù)充電和主回路控制[J].有色金屬加工，2012，41（3）：58-60.