作者简介：张三彦，石家庄市苍山钙业有限公司董事长，中国无机盐工业协会碳酸钙行业分会专家组成员，先后完成河北省市科研项目7项，其中1项获石家庄科技进步三等奖，2项获石家庄市山区创业奖，企业拥有河北省著名商标“晨虹”牌。
1 概述
脱水是工业沉淀碳酸钙生产过程中一个重要工序，目前国内同行业大多采用间歇式离心过滤的方法，离心机通过变频器控制启动调速，离心过程需要经历起动、运行和制动减速三个步骤，并且需要频繁交替。大型工业离心机经高速运行对物料脱水后需要制动，使其减速，再利用刮刀自动卸料，不管哪种方式的频繁启动运行制动减速都会造成动能的极大浪费，这不仅不符合我国绿色可持续发展战略，而且浪费电能，增加生产成本。我公司自2015年开展碳酸钙过滤式离心脱水余能高效利用研究，通过变频器的直流母线将能量回馈到低压配电网，使二者并网运行，从而有效的利用了脱水工序的余能，实现了生产过程的高效节能。
2 技术原理
对于轻质碳酸钙生产线上的多台脱水离心电机传动系统，按照《电气传动自动化技术手册》中，关于生产机械的工作制类型，属于带电制动的断续工作制(s5),短时定额的时限为30min，负载持续率约为25%。离心机组带动的惯性负载较大，在制动减速过程中，离心机的惯性会产生较大的制动电流，制动电流能高达60A～70A，电动机减速时有较大的能量回馈。如果采用通用变频器并没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能，因此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。
本研究采用了目前较为先进的直流母线能量回馈技术，一个或多个离心电机产生的再生能量就可以被其他离心电机以电动的方式消耗吸收，将系统在制动过程中产生的再生能源加以合理利用和回收。公共直流母线采用单独的整流/回馈装置，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；当系统工作在回馈制动状态时，能量通过母线及回馈装置直接回馈给电网。共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大；各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性。
随着电力电子技术、变频控制理论、微机控制技术的不断成熟，变频器的性能不断完善、功能也不断增强：如多段速、可编程自动运行、通讯功能等，这使得变频器能适应多种应用场合。目前在国内外的交流电机调速领域中，通用型变频器由于其整流电路采用的是不可控的整流方案，由二极管构成的三相桥式整流电路，所以电能只能单向流通，使电机处于发电状态时所产生的能量，只能通过直流能耗制动单元，将能量以热的形式消耗在电阻上，否则由于直流侧电压的升高损毁直流侧的滤波电容。这虽然可解决离心机在制动减速时因惯性大造成减速困难的问题，但是若要变频器按运行时间减速，必须加装制动单元，正常工作时制动电阻会因消耗能量而发热，传统的做法为适当放大电阻的功率和制动动作时间。但是从能源的利用率的角度，并没有实现完全的节能。特别是在多电机传动系统的设计中，目前国内外通常的做法是采用变频驱动器常规交流供电，无需额外的整流单元，将驱动器直流侧并接在一起，实现驱动器之间的能量传递，但是在生产过程中仍然存在下列问题：
（1）当发电能量高于电动能量时，仍然需要能耗制动方式，消耗多余能量；
（2）多余能量无法将能量回送至电网；
（3）只允许同规格驱动器直流并接；
（4）还需要配制动电阻。
因此，如何实现能量的回馈利用，国内外的变频器厂家都在积极地研究解决交流电机再生制动的效率问题。如Emerson公司、ABB公司、Siemens公司、Vacon公司都开始此类研究，也提出了供直流母线系统的设计思路，即一个或多个电机产生的再生能量就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收了,提高能源的转换效率，从电机的再生发电负载回收能量，降低输入级系统成本 (减少交流输入线路、交流输入熔断器和接触器等部件)，减少机柜尺寸。共用直流均衡母线是将多台变频器的直流母线回路并联在一起(变频器本身设计有外接的直流母线输出端子)，达到共用直流母线的方式。每台变频器和共用直流母线之间可以加装电抗器、快速熔断器和接触器等，这一部分是变频器以外的部分，电气设计人员可以根据实际需要进行设计。共直流母线技术也需要解决下列技术问题，如能量回馈到电网的电路结构，能否安全制动，电源谐波干扰问题，是否连接到母线的所有变频器都有或都可以有同样的额定值/功率电路设计等。离心机组采用共直流母线系统改造实现电机的平稳调速,有效的减少对设备和电网的冲击,并保护电机正常长时间工作。
3 主要研究内容
（1）根据公司实际情况，计算车间各个用电设备负荷，特别是过滤式脱水离心机组的用电负荷和负载类型，并计算所需离心机机组的有功功率和无功功率、功率因数，确定变频器的容量。
（2）根据需要重新校验车间的变压器容量、选用导线和电缆的截面积，及开关设备的短路容量和短路电流。
（3）优化现有的过滤式脱水离心机的变频调速控制方案，在电机起动的阶段，将变频器的V/F优化设置成自动转矩提升，在电机减速时合理地设置减速时间，解决离心机的大惯性所引起的过压报警问题，改进其中的PLC控制程序设计，使得起动和制动阶段的变频调速控制更为合理。
（4）应用MATLAB软件模拟电机带大惯性负载下的起动、稳定运行以及制动阶段的过程，分析制动时的能量大小和应用制动电阻的能量损失情况。
（5）通过比较各种电机回馈控制方案,找到最优越、性价比最高的设计,探究共直流母线能量回馈低压配电网的可行性和有效性,解决此类多传动系统工作时对电网和直流母线带来的影响。
4 主要解决的关键问题
（1）针对离心机组变频控制系统的PLC程序设计，实现减速、制动过程的平稳运行。
（2）各个离心机单元的变频控制系统和主控制PLC的modbus总线通信，并应用电磁兼容解决系统的电磁干扰问题。
（3）采用多传动系统的共直流母线均衡控制技术，实现减速制动过程中的能源收集，并重点监控泵升电压对直流侧电压的影响。
（4）制动过程的能量回馈系统程序设计，并监测低压配电网的电能质量，特别对谐波干扰的抑制。
5 技术创新点
（1）针对生产工艺中离心机组实际运行要求，根据电机在加料、排液、分离甩干、卸料过程的运行特点，设计电机变频控制系统的PLC分段控制程序，调整程序多段速的参数，确保电机的输出转矩满足高速分离的负载特性。
（2）采用共直流母线回馈控制技术，实现离心电机工作在第2象限和第4象限中的制动发电过程中的能源收集，降低离心机的电力能耗，提高电能利用效率。
（3）在离心机的制动过程中，设计直流能量回馈系统的主电路结构和PLC程序，并监测低压配电网的电能质量，减小变频器对电网的谐波污染，谐波电压和谐波电流的幅值控制在5%之内。
（4）根据生产线上的各个离心机组和控制室中的变频器的实际安装位置，设计输出电抗器的大小用来补偿电缆的分布电容，并控制变频调速系统和主控制PLC的modbus总线通信，并应用电磁兼容原理解决实际运行系统的电磁干扰问题。
（5）设计调试主控制PLC的人机交互系统，减少在实际生产中操作人员的误操作可能性，确保系统稳定工作。
6 达到的技术指标
（1）设备的功率因数不低于0.95；
（2）直流母线上的电压限制在480VDC-510VDC；
（3）并网侧电压：380V，5次谐波的含有率<5%。
（4）共直流母线技术直接节约电能35%，并回馈给低压交流电网。
7 经济效益预测
按年产10万吨的能力，吨轻质碳酸钙用电量约为130kvA.h，其中离心机脱水程序用电占碳酸钙生产总用电约为三分之一，约为43 kvA.h，本技术应用后可节省离心机脱水程序用电13kvAh，年经济效益为（13 kvA.h×0.78元/kvA.h×10万吨=101.4万元）101.4万元。具有很好的经济效益和社会效益。
