連退機組傳動系統預充電回路原理及應用

張晉峰?劉靖?張興

摘 要：預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行前給逆變單元內置電容元件安全充電，避免上電時強大的沖擊電流燒損功率模塊和內置電容。針對連退機組傳動裝置的原有設計問題，在分析研究預充電回路運行原理的基礎上，通過設備改造增加了開卷機和卷取機的逆變單元預充電回路，具備了該傳動裝置獨立故障處理條件，消除了機組非計劃停機的設備隱患，為持續穩定生產提供了設備支撐。

關鍵詞：預充電；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 連退機組變頻裝置的使用問題

1.1 變頻裝置組成結構

連續退火機組主傳動系統采用的是西門子6SE70系列三相交流電壓源型交直交變頻裝置[1] ，由一套裝機裝柜型整流單元，和若干臺書本型、裝機裝柜型逆變單元構成。按照生產工藝的需求，連退機組傳動系統由主傳動和輔傳動兩部分組成，均采用了交直交變頻控制系統。其中，整流單元具有直流輸出電壓可控的預充電功能，在整套傳動系統上電運行時，由整流單元通過中間直流母排給所有逆變單元進行預充電，經過預設定的充電時間后，直流電壓達到所要求的幅值，傳動系統才具備正常運行的條件。

1.2 存在的問題

在連退機組工程建設期間，考慮到某些相關因素，卷取機的逆變單元主電源通過電纜直接引自中間直流母排，二者之間沒有獨立負荷隔離開關，不具備單獨斷開電源退出運行的功能。

開卷機的逆變單元與中間直流母排之間僅配置了熔斷開關，用于在逆變單元停機維護和更換時建立有效的能源隔離點，確保設備和人員安全。在該逆變單元故障恢復時，由于缺少該逆變單元單獨用的預充電回路。因此，為了恢復開卷機的逆變單元，必須停止整流單元對應的所有逆變單元，重新執行該傳動系統的恢復流程，才能完成開卷機的逆變單元預充電。

綜上所述，在連退機組工程建設期間，傳動系統設計不完善問題給機組生產運行帶來了潛在隱患，不僅直接影響了機組正常的生產，而且給企業運營造成了大量的經濟損失。

2 預充電回路的原理及選型

2.1 結構組成

通常，變頻裝置的動力回路分為主運行回路和預充電回路兩部分。其中，預充電回路由單獨的接觸器、逆變單元內置的電容組和外置的預充電電阻組成，在變頻裝置上電運行時，通過相關的控制回路實現主運行回路和預充電回路之間的切換。

2.2 電氣原理

預充電回路是一個典型的一階RC串聯電路如圖1所示，電容C1為逆變單元內置電容組，預充電電阻R1需要根據中間直流回路的電壓幅值和電容組的電氣特性計算后選型確定。

假設電容C1初始狀態無電量，根據基爾霍夫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，時間常數T=R1×C1。

假設直流電源電壓為U=540 V，R=27 kΩ，C=6 000 uF，那么，時間常數T為650 s。

在各個時間周期內電容電壓幅值隨時間的變化曲線如圖2所示，經計算可知，經過3-5個時間周期T后，充電過程基本結束。

2.3 預充電電阻選型

預充電電阻選型，主要是確定三個技術參數：電阻阻值R、電阻平均功率PA、電阻峰值功率PP。假設直流電源電壓為UV，預充電時間為As，電容容量為CuF，那么：

1）電阻阻值。

按照上述預充電電壓變化曲線可知，經過4個RC時間周期后，電容充電過程基本完成，那么，可以計算出電阻阻值：

A

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

4C

2）電阻平均功率。

已知電容充滿電時的能量為EC=0.5CU2，那么在預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。

預充電電阻峰值功率工作點處于電容為零狀態的充電時刻，此時電阻功率為：

U2

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

R

3 預充電回路的控制原理

3.1 控制信號

1）預充電開始指令信號。

預充電開始指令信號采用內部控制字信號，通過參數設定關聯到CUVC板輸出量端子，從而控制預充電回路中間繼電器，實現變頻器裝置預充電啟動動作。

控制字相應位說明如下：

位0：ON/OFF命令（↑ON）（L“OFF1”）。

條件：在開機準備狀態（009）從L→H上升沿發生。

結果：預充電（010）。

主接觸器（選件）/旁路接觸器，如有則接通。

直流回路進行預充電。

2）預充電完成狀態信號。

預充電完成信號采用內部狀態字位，對應于逆變單元上的開關量輸出端子，實現預充電回路和主回路接觸器切換。

狀態字相應位說明如下：

位1：“運行準備”信號（H）。

高信號：預充電（010）或運行準備（011）狀態。

意義：預充電已完成。

3.2 控制回路原理

逆變單元動力回路的原理如圖3所示，在直流中間母線與逆變單元進線端之間，由熔斷開關、主運行回路和預充電回路共三部分組成[2] 。

當傳動裝置處于待機準備狀態時，進線熔斷開關處于手動合閘狀態；在投用逆變單元時，首先，從HMI界面上手動完成合閘上電操作，自動化系統通過控制字控制逆變單元開始預充電；當預充電電壓達到預設定電壓時，逆變單元通過內部狀態字關聯的控制端子的方式，完成預充電回路與主回路的切換，此時，逆變單元處于運行準備狀態如圖 4所示。

4 結 語

傳動設備是連退機組的重要組成部分，必須具備日常運行和獨立的故障處理作業條件。由于冷軋連退機組原工程建設期間，傳動裝置內部預充電回路設計不完善問題，給機組埋下了非計劃全線停機的隱患。本文從預充電系統入手，在介紹預充電回路工作原理和元件選型的同時，分析了西門子傳動裝置內部控制原理，從而通過制定現有傳動裝置優化方案，并組織實施設備改造，實現了逆變單元獨立故障作業，不僅消除了原有全線非計劃停機的隱患，而且為機組穩定運行提供了保障。

參考文獻

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

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