多电机传动系统断电同步控制实现方法

范红勇

摘 要：共直流母线技术正广泛的应用于多电机同步控制系统中，电网断电情况下的多电机同步控制也正在被高端市场关注。文章从共直流母线、断电再生能量反馈及利用、UPS保护系统等三个方面讲述了一种多电机断电同步控制的实现方法，使得设备极大方便客户的生产，提高了效益。

关键词：共直流母线；再生能量反馈；UPS保护系统

随着工业自动化的发展，多电机传动同步控制系统普遍应用于印刷设备、纺织设备、造纸设备、精密加工机床等生产过程自动化控制设备中。这些系统中有一个共同特点，要求多电机传动必须同步，多台电机之间的同步协调性直接影响到设备的性能与控制精度。

经过多年的努力，多电机同步控制技术在各领域得到充分应用，但是近年来，由于材料成本、人工成本的持续上升，客户对设备同步传动性能提出更高的要求，除了正常生产时的同步之外，在外网突然断电时，设备仍然具备同步停止的功能。这种性能在纺织行业尤其重要。纺织机械通常是多电机控制、多锭位操作的扩展型制造设备，遇到雷雨天气，工厂电网会突然断电，纱线断头、飞花，而且，再次投入生产时，所有设备需要重新清理生头，耗时耗力。因此，如果设备没有断电同步控制的功能，整个工厂将损失巨大。

多电机断电同步控制必须有三个要点：公共直流母线、断电再生能量消耗、UPS保护装置。

1 公共直流母线

共直流母线是一种多电机传动电源采用直流侧直接连接的方式。该方式采用单独的整流/回馈装置，或利用大容量变频器自带的整流桥，为系统提供一定功率的直流电源，调速用逆变器直接挂接在直流母线上。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，能量通过母线及回馈装置直接回馈给电网，以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备占地面积等目的。

图1表示的是四电机同步控制公共直流母线系统。VF1～VF4为四电机变频器。变频器内部自带有整流/回馈装置、直流母线、逆变器，共直流母线就是将四个变频器的直流端子并联，让逆变器共享整流装置，此整流装置为共用直流母线专用装置。

母线电压是共直流母线的核心参数。在多电机同步控制系统中，变频器驱动电机加减速时，直流母线上的电压是变化的，尤其要注意减速时，所有变频器从电机吸收的能量都会保存在电解电容中，最终导致变频器中的母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻，变频器就可以通过短时间接通电阻，使电能以热方式消耗掉。当然只要充分考虑到制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率就可以来设计合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最终能够保持母线电压的平衡。

2 断电再生能量回馈

减速时母线电压升高的极端情况发生在断电时。外电网突然断电，正在运行的电机会急剧减速，如果电机容量较大或转速较高，直流母线上的电压会快速升高，这是由于从电机端发电得到的能量反馈到传动的变频器中来，这种现象叫“再生能量”。

上述制动单元的工作方式其实就是消耗能量的一种。当多电机容量接近时，外电网断电各电机再生能量总量不高，可被制动电阻快速消耗，多电机传动系统能实现断电同步控制。还有一种情况，其中一个电机的容量较大，断电后其惯性能持续发电（发电机状态）且制动电阻不容易全部吸收时，可以控制其它惯性小的电机继续转动（电动机状态）来消耗直流母线上的能量。

利用其它电机消耗再生能量的方法也可以实现多电机传动系统断电同步控制的功能。但必须保证控制电源不能掉电，也就是变频器的使能及减速信号不能丢失。因此，除了公共直流母线外，还必须加上UPS保护系统。

3 UPS保护系统

断电同步控制功能必须包含UPS掉电保护系统，其作用是保证控制单元能在外电网断电后继续工作。这一点非常重要，如果控制电路失电，各变频器的使能及速度控制信号全部失效，所有电机将处于失控自由状态，其结果是惯量大的电机短时间内停不下来，惯量小的电机掉电后立即停止，同步功能失效。

图2是控制系统UPS方案简图，在给HMI、PLC供电的AC/DC电源之前增加220VAC的交流UPS，其容量根据AC/DC来决定。

4 结束语

公共直流母线连接、能量反馈再利用、UPS保护系统三方面结合起来，可实现断电情况下的多电机系统同步控制。原则上，断电控制过程越短越好，但电机减速太快将会引起母线电压明显升高，极端时变频器会产生过压报警造成失控。因此，根据负载设置适当的变频器参数，可实现多电机断电后完美同步停止，大大方便客户的生产，提高效益。