西门子整流回馈单元的预充电和主回路控制

赵 欣

( 洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039 )

随着工业电气自动化技术的不断发展与成熟，在热轧机组等多台单体设备电气控制系统中，我公司选用了西门子公司S120交流多传动控制系统。西门子S120交流多传动控制系统的供电模块主要分为三大类：

⑴基本型电源模块(Basic Line Module)，简称BLM。

⑵非调节型电源模块(Smart Line Module)，即整流回馈单元，简称SLM。

⑶调节型电源模块(Active Line Module)，即作为升压器工作的自控供电/再生馈电装置，简称ALM。

我公司近几年主要选用了非调节型电源模块，即整流回馈单元(SLM)，再加上其他配套的电机模块(即矢量控制的逆变器)、CU320控制单元等扩展系统组件，设计了多套西门子S120交流多传动控制系统。

1 交流多传动控制系统的主要性能特点

在交流多传动控制系统中，采用了公共直流母线技术。它是在多电机交流调速系统中，采用单独的整流回馈单元为公共直流母线提供一定功率的直流电源，即通常所说的交流变直流(AC/DC)；调速用逆变器直接挂接在公共直流母线上,完成电机驱动的工作，即通常所说的直流变交流(DC/AC)。当系统工作在电动状态时，逆变器从母线上获取电能；当系统工作在发电状态时，能量通过母线及整流回馈单元直接回馈给电网。在使用多台逆变器工作的场合，各个逆变器在生产线处于电动状态或发电状态，通过公共直流母线可直接进行能量交换；在短时频繁起动/制动操作时，整流回馈单元内的电容可以短时充放电来保持直流母线电压的稳定，减小了起动/制动操作时对电网和电气设备的冲击。

综合交流多传动控制系统的性能特点，整流回馈单元保证了公共直流母线电压的稳定供给，又能将能量回馈给电网，实现了能源的合理利用；公共直流母线系统设备结构紧凑，工作稳定；在多电机传动系统中省去了大量的制动单元、制动电阻等外围设备，节省了设备占地面积，减少了设备维护量，减少了设备故障点，提高了设备的整体控制水平。对工程设计人员来说系统配置更加灵活，使用更加方便。

交流多传动控制系统通常由整流回馈单元、公共直流母线、逆变装置、其他控制单元等组成。回馈单元可分为通过自耦变压器的能量回馈和不通过自耦变压器的能量回馈两种方式。通过自耦变压器的能量回馈可提高回馈支路中的电源电压，目的是在能量回馈过程中不必降低中间回路电压，使得逆变器能够获得一个较恒稳的直流电源。西门子的整流回馈单元的回馈电路采用IGBT功率元件，能进行稳定的能量回馈，能量回馈持续效率达100%，不需要自耦变压器可完成能量回馈控制。

图1为整流回馈单元SLM的供电电路框图。

2 预充电和主回路合闸控制

2.1 预充电工作特点

预充电就是由整流回馈单元给整流回馈装置和逆变器装置中的直流母线电容充电。因为直流母线上有大电容存在，我们知道，电容是一个储能元件，电容并联在电源两端的时候，当电源接通瞬间，电容两端的电压不会突变，而电容两端的电流会突变，刚接通电源瞬间，电容器两端相当于短路，这是电容器的工作原理所决定的。此时如果没有预充电电路，那整流器的电子功率器件(如二极管等)就会因为短路而损坏。预充电电路在这里起到了限制电源接通瞬间对电容器充电电流的作用，电流通过预充电电阻后，控制充电电流，以保护整流器的电子功率器件不会因电流冲击过大而损坏。

图1 整流回馈单元SLM的供电电路框图

在充电工作结束前，电容内若没有充满能量，则电路中电容的充电电流会非常大，会引起过流现象，因此禁止强制闭合主接触器或主断路器。启动时要遵守非调节型电源模块的合闸逻辑，启动顺序主要是：启动——预充电——装置充电结束确认——主开关(或主接触器)合闸控制——整流回馈单元工作。

2.2 进线框架断路器的控制逻辑

当整流回馈单元的容量较大，进线电流较大时，如进线电流 >1000A，进线的主开关可设计选用框架断路器，框架断路器的合闸控制逻辑见图2。

图2 进线框架断路器的合闸控制逻辑图

如图2所示，西门子整流回馈单元SLM启动的时序是，当用户给出合闸命令后，整流回馈单元首先控制内部的预充电回路工作，给直流母线上的电解电容进行预充电，当直流母线电压达到额定值的 80%之后，来自整流回馈单元SLM端子排X9的3号端子和4号端子闭合，这样KA1 线圈得电，闭合欠压脱扣器回路，使欠压脱扣器得电，经过一定的延时后，合闸准备就绪触点PF闭合，使合闸线圈得电，框架断路器合闸，主回路接通，整流回馈单元进入运行状态。

如图2所示，如果没有欠压脱扣器，在整流回馈单元没有完成预充电工作的情况下，如果直接闭合框架断路器，使三相交流电压通过主回路的二极管桥直接加到了直流母线的电解电容上，这样瞬间的电流就会非常大，会造成整流回馈单元严重的故障，甚至会造成整流回馈单元的电气元件损坏。

把欠压脱扣器引入到合闸控制逻辑中后，在线圈KA1得电后，欠压脱扣器才会得电，框架断路器进入到合闸准备就绪状态，合闸线圈才得电，框架断路器的主触头才会闭合。否则框架断路器就不会进入到合闸准备就绪状态，此时采用其他方式去合框架断路器，都无法使框架断路器闭合。而线圈KA1是由整流回馈单元SLM端子排X9的3号端子和4号端子来控制的，如果整流回馈单元没有完成预充电工作，则端子排X9的3号端子和4号端子不会闭合，线圈KA1不会得电，框架断路器就无法闭合，防止了在整流回馈单元没有完成预充电的情况下，就去合框架断路器而造成的整流回馈单元的故障和损坏。

2.3 整流回馈单元SLM的控制方式

整流回馈单元SLM的控制方式有两种：

① 本地合闸/分闸控制；

② 远程PROFIBUS-DP通讯合闸/分闸控制。

以上两种控制方式主要在控制单元(Control Unit)CU320来完成，控制单元CU320是一个中央控制模块，模块上主要有下列接口：PROFIBUS接口；DRIVE-CLiQ接口，RS232串行接口；数字量输入端口；数字量输入/输出端口等。图3为带有二个CU320控制单元的网络配置图。

图3中DRIVE-CLiQ接口为实时串行通讯，用于连接所有的SINAMICS驱动组件，如电源模块或电机模块等，通过DRIVE-CLiQ接口连接，可完成对单个或多个电源模块或电机模块的控制功能。

PROFIBUS端口，用于连接如可编程控制器(PLC)或人机界面(HMI)等上位控制器主站，CU320作为PROFIBUS从站。上位控制器主站通过PROFIBUS-DP通讯网络，实现主站对从站的通讯控制。

图3 带CU320控制单元的网络配置图

通过远程PROFIBUS-DP通讯合闸/分闸控制，上位控制器可以对两台或三台整流回馈单元SLM同时完成合闸/分闸控制，这样整流回馈单元可同时给公共直流母线上的电解电容进行预充电。当公共直流母线上的逆变器数量较多，总功率较大时，电解电容的并联容量也较大，同时进行预充电可缩短充电时间，增加预充电控制的可靠性。通过PROFIBUS-DP通讯网络，上位控制器也可以读取整流回馈单元的状态信息，便于监控和维护。

3 结束语

交流多传动控制系统具有很好的经济性和适用性，广泛应用在冶金等行业中。当整个生产线上的多台逆变器接入交流多传动控制系统时，要保证连接在公共直流母线上的多台逆变器正常工作，整流回馈单元作为公共直流母线上的供电单元，可靠性要求更高。做好预充电和主回路的合闸控制等调试工作，才能使整流回馈单元可靠运行，保证交流多传动控制系统正常工作运行。