多電機傳動系統斷電同步控制實現方法

范紅勇

摘 要：共直流母線技術正廣泛的應用于多電機同步控制系統中，電網斷電情況下的多電機同步控制也正在被高端市場關注。文章從共直流母線、斷電再生能量反饋及利用、UPS保護系統等三個方面講述了一種多電機斷電同步控制的實現方法，使得設備極大方便客戶的生產，提高了效益。

關鍵詞：共直流母線；再生能量反饋；UPS保護系統

隨著工業自動化的發展，多電機傳動同步控制系統普遍應用于印刷設備、紡織設備、造紙設備、精密加工機床等生產過程自動化控制設備中。這些系統中有一個共同特點，要求多電機傳動必須同步，多臺電機之間的同步協調性直接影響到設備的性能與控制精度。

經過多年的努力，多電機同步控制技術在各領域得到充分應用，但是近年來，由于材料成本、人工成本的持續上升，客戶對設備同步傳動性能提出更高的要求，除了正常生產時的同步之外，在外網突然斷電時，設備仍然具備同步停止的功能。這種性能在紡織行業尤其重要。紡織機械通常是多電機控制、多錠位操作的擴展型制造設備，遇到雷雨天氣，工廠電網會突然斷電，紗線斷頭、飛花，而且，再次投入生產時，所有設備需要重新清理生頭，耗時耗力。因此，如果設備沒有斷電同步控制的功能，整個工廠將損失巨大。

多電機斷電同步控制必須有三個要點：公共直流母線、斷電再生能量消耗、UPS保護裝置。

1 公共直流母線

共直流母線是一種多電機傳動電源采用直流側直接連接的方式。該方式采用單獨的整流/回饋裝置，或利用大容量變頻器自帶的整流橋，為系統提供一定功率的直流電源，調速用逆變器直接掛接在直流母線上。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，能量通過母線及回饋裝置直接回饋給電網，以達到節能、提高設備運行可靠性、減少設備維護量和設備占地面積等目的。

圖1表示的是四電機同步控制公共直流母線系統。VF1～VF4為四電機變頻器。變頻器內部自帶有整流/回饋裝置、直流母線、逆變器，共直流母線就是將四個變頻器的直流端子并聯，讓逆變器共享整流裝置，此整流裝置為共用直流母線專用裝置。

母線電壓是共直流母線的核心參數。在多電機同步控制系統中，變頻器驅動電機加減速時，直流母線上的電壓是變化的，尤其要注意減速時，所有變頻器從電機吸收的能量都會保存在電解電容中，最終導致變頻器中的母線電壓升高。如果變頻器配備制動單元和制動電阻，變頻器就可以通過短時間接通電阻，使電能以熱方式消耗掉。當然只要充分考慮到制動時最大的電流容量、負載周期和消耗到制動電阻上的額定功率就可以來設計合適的制動單元，并以連續的方式消耗電能，最終能夠保持母線電壓的平衡。

2 斷電再生能量回饋

減速時母線電壓升高的極端情況發生在斷電時。外電網突然斷電，正在運行的電機會急劇減速，如果電機容量較大或轉速較高，直流母線上的電壓會快速升高，這是由于從電機端發電得到的能量反饋到傳動的變頻器中來，這種現象叫“再生能量”。

上述制動單元的工作方式其實就是消耗能量的一種。當多電機容量接近時，外電網斷電各電機再生能量總量不高，可被制動電阻快速消耗，多電機傳動系統能實現斷電同步控制。還有一種情況，其中一個電機的容量較大，斷電后其慣性能持續發電（發電機狀態）且制動電阻不容易全部吸收時，可以控制其它慣性小的電機繼續轉動（電動機狀態）來消耗直流母線上的能量。

利用其它電機消耗再生能量的方法也可以實現多電機傳動系統斷電同步控制的功能。但必須保證控制電源不能掉電，也就是變頻器的使能及減速信號不能丟失。因此，除了公共直流母線外，還必須加上UPS保護系統。

3 UPS保護系統

斷電同步控制功能必須包含UPS掉電保護系統，其作用是保證控制單元能在外電網斷電后繼續工作。這一點非常重要，如果控制電路失電，各變頻器的使能及速度控制信號全部失效，所有電機將處于失控自由狀態，其結果是慣量大的電機短時間內停不下來，慣量小的電機掉電后立即停止，同步功能失效。

圖2是控制系統UPS方案簡圖，在給HMI、PLC供電的AC/DC電源之前增加220VAC的交流UPS，其容量根據AC/DC來決定。

4 結束語

公共直流母線連接、能量反饋再利用、UPS保護系統三方面結合起來，可實現斷電情況下的多電機系統同步控制。原則上，斷電控制過程越短越好，但電機減速太快將會引起母線電壓明顯升高，極端時變頻器會產生過壓報警造成失控。因此，根據負載設置適當的變頻器參數，可實現多電機斷電后完美同步停止，大大方便客戶的生產，提高效益。