连退机组传动系统预充电回路原理及应用

张晋峰?刘靖?张兴

摘 要：预充电单元是电压源型交流变频装置的重要组成部分，用于在逆变器投入运行前给逆变单元内置电容元件安全充电，避免上电时强大的冲击电流烧损功率模块和内置电容。针对连退机组传动装置的原有设计问题，在分析研究预充电回路运行原理的基础上，通过设备改造增加了开卷机和卷取机的逆变单元预充电回路，具备了该传动装置独立故障处理条件，消除了机组非计划停机的设备隐患，为持续稳定生产提供了设备支撑。

关键词：预充电；逆变单元；变频装置

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 连退机组变频装置的使用问题

1.1 变频装置组成结构

连续退火机组主传动系统采用的是西门子6SE70系列三相交流电压源型交直交变频装置[1] ，由一套装机装柜型整流单元，和若干台书本型、装机装柜型逆变单元构成。按照生产工艺的需求，连退机组传动系统由主传动和辅传动两部分组成，均采用了交直交变频控制系统。其中，整流单元具有直流输出电压可控的预充电功能，在整套传动系统上电运行时，由整流单元通过中间直流母排给所有逆变单元进行预充电，经过预设定的充电时间后，直流电压达到所要求的幅值，传动系统才具备正常运行的条件。

1.2 存在的问题

在连退机组工程建设期间，考虑到某些相关因素，卷取机的逆变单元主电源通过电缆直接引自中间直流母排，二者之间没有独立负荷隔离开关，不具备单独断开电源退出运行的功能。

开卷机的逆变单元与中间直流母排之间仅配置了熔断开关，用于在逆变单元停机维护和更换时建立有效的能源隔离点，确保设备和人员安全。在该逆变单元故障恢复时，由于缺少该逆变单元单独用的预充电回路。因此，为了恢复开卷机的逆变单元，必须停止整流单元对应的所有逆变单元，重新执行该传动系统的恢复流程，才能完成开卷机的逆变单元预充电。

综上所述，在连退机组工程建设期间，传动系统设计不完善问题给机组生产运行带来了潜在隐患，不仅直接影响了机组正常的生产，而且给企业运营造成了大量的经济损失。

2 预充电回路的原理及选型

2.1 结构组成

通常，变频装置的动力回路分为主运行回路和预充电回路两部分。其中，预充电回路由单独的接触器、逆变单元内置的电容组和外置的预充电电阻组成，在变频装置上电运行时，通过相关的控制回路实现主运行回路和预充电回路之间的切换。

2.2 电气原理

预充电回路是一个典型的一阶RC串联电路如图1所示，电容C1为逆变单元内置电容组，预充电电阻R1需要根据中间直流回路的电压幅值和电容组的电气特性计算后选型确定。

假设电容C1初始状态无电量，根据基尔霍夫KVL电压定律，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，时间常数T=R1×C1。

假设直流电源电压为U=540 V，R=27 kΩ，C=6 000 uF，那么，时间常数T为650 s。

在各个时间周期内电容电压幅值随时间的变化曲线如图2所示，经计算可知，经过3-5个时间周期T后，充电过程基本结束。

2.3 预充电电阻选型

预充电电阻选型，主要是确定三个技术参数：电阻阻值R、电阻平均功率PA、电阻峰值功率PP。假设直流电源电压为UV，预充电时间为As，电容容量为CuF，那么：

1）电阻阻值。

按照上述预充电电压变化曲线可知，经过4个RC时间周期后，电容充电过程基本完成，那么，可以计算出电阻阻值：

A

R= ——                                         （3）

4C

2）电阻平均功率。

已知电容充满电时的能量为EC=0.5CU2，那么在预充电过程中电阻的平均功率为：

0.5×C×U2

PA= ——————                             （4）

A

3）电阻峰值功率PP。

预充电电阻峰值功率工作点处于电容为零状态的充电时刻，此时电阻功率为：

U2

PP= ——                                 （5）

R

3 预充电回路的控制原理

3.1 控制信号

1）预充电开始指令信号。

预充电开始指令信号采用内部控制字信号，通过参数设定关联到CUVC板输出量端子，从而控制预充电回路中间继电器，实现变频器装置预充电启动动作。

控制字相应位说明如下：

位0：ON/OFF命令（↑ON）（L“OFF1”）。

条件：在开机准备状态（009）从L→H上升沿发生。

结果：预充电（010）。

主接触器（选件）/旁路接触器，如有则接通。

直流回路进行预充电。

2）预充电完成状态信号。

预充电完成信号采用内部状态字位，对应于逆变单元上的开关量输出端子，实现预充电回路和主回路接触器切换。

状态字相应位说明如下：

位1：“运行准备”信号（H）。

高信号：预充电（010）或运行准备（011）状态。

意义：预充电已完成。

3.2 控制回路原理

逆变单元动力回路的原理如图3所示，在直流中间母线与逆变单元进线端之间，由熔断开关、主运行回路和预充电回路共三部分组成[2] 。

当传动装置处于待机准备状态时，进线熔断开关处于手动合闸状态；在投用逆变单元时，首先，从HMI界面上手动完成合闸上电操作，自动化系统通过控制字控制逆变单元开始预充电；当预充电电压达到预设定电压时，逆变单元通过内部状态字关联的控制端子的方式，完成预充电回路与主回路的切换，此时，逆变单元处于运行准备状态如图 4所示。

4 结 语

传动设备是连退机组的重要组成部分，必须具备日常运行和独立的故障处理作业条件。由于冷轧连退机组原工程建设期间，传动装置内部预充电回路设计不完善问题，给机组埋下了非计划全线停机的隐患。本文从预充电系统入手，在介绍预充电回路工作原理和元件选型的同时，分析了西门子传动装置内部控制原理，从而通过制定现有传动装置优化方案，并组织实施设备改造，实现了逆变单元独立故障作业，不仅消除了原有全线非计划停机的隐患，而且为机组稳定运行提供了保障。

参考文献

[1] 张福钧.变频器预充电单元改造[J].今日科苑，2008（14）：84.

[2] 赵欣.西门子整流回馈单元的预充电和主回路控制[J].有色金属加工，2012，41（3）：58-60.