1、 变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势 摘 要 : 通用变频器能量回馈 PWM 控制系统是一种采用有源逆 变 方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。它可以克服通用变频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足，使通用变频器可在四象限运行。本文首先回顾了变频调速能量回馈控制技术的发展历史及现状。设计了一种基于智能功率模块 IPM 的新型控制系统，并详细介绍了主电路、控制电路、驱动和保护电路的设计思路。最后指出了能量回馈技术的发展趋势。 关键词 :变频调速技术 能量回馈 再生制动 PWM 控制 智能功率模块 检测技术 Abstract: General inver
2、ter energy feedback control system is a kind of device which feeds the regenerative energy produced by motor when decelerates and brakes back to the AC pow-er supply. It can overcome the disadvantages of the traditional method in low efficiency because using braking resistance. And it is easy to mee
3、t the need of braking rapidly and the need of running between forward and reverse frequently. Therefore inverters can run in four quadrants. The paper firstly reviews the development history and current situations of inverter energy feedback control technology, then, the paper gives a kind of new ty
4、pe control system based by Intelligent Power Module (IPM), and introduces the design of the main circuit, control circuit, driving and protect circuit in detail, points out the development trend of inverter energy feedback control technology at last. Keywords : Frequency Converter Energy feedback Re
5、generative braking PWM control Intelligent Power Module Detecting technology . 1 引言 变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。但是，在对调速节能的一片赞誉中，人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。事实上，从变频器内部研究和设计的方面看，应用或寻求哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高？怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网？这正是提高
6、效率的两个重要途径。第一个环节是通过变频调速技术及其优化控制技术 实现 按需供能 ，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量 ；第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地 回收 到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，一方面是节能降耗，另一方面是实现电动机的精密制动，提高电动机的动态性能。本文讨论的就是变频调速系统节能控制的第二个环节变频调速能量回馈控制技术。在能源资源日趋紧张的今天，这项研究无疑具有十分重要的现实意义。 2 通用变频器在应用中存在的问题 通用变频器大都为电压型交 -直 -交变频 器。三相交流电首先通过
7、二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到 直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以 GTR、IGBT 为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏
8、开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围。 3 国内外能量回馈技术研究现状 为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交 -直 -交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如 RHR 系列、 FRENIC 系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器 的直流侧，将再生能量回馈到电网中。同时，已见到国外有四象限电压型交直交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国
9、的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点 : (1) 浪费能量，降低了系统的效率。 (2) 电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。(3) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制 动性能的提高 (制动力矩大，调速范围宽，动态性能好 )。 上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十 kW 以下的中小容量系统。国内关于能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实验阶段，目前已经见到有关的文献报道，但尚未见这方面产品的报道。 4 能量回馈系统的拓扑结构 按照
10、所选用的功率开关器件的不同，能量回馈系统的拓扑结构可分为半控器件型结构和全控器件型结构两大类。 4.1 半控器件型 (晶闸管型 )结构 由于晶闸管的耐压、耐流、耐浪涌冲击能力是全控型功率器件所无法比拟的，加之驱动、保护电路简单，价 格低廉等原因，采用晶闸管构成有源逆变电路在七、八十年代获得人们普遍的研究，即使在现阶段也仍有一定的实际意义。下面将要介绍几种 基于晶闸管的有源逆变电路的结构、基本原理以及优、缺点的对比。 (1) 可控整流 -可控有源逆变型 该方式是人们早期研究的一种方案。基本思路是在可控整流桥的基础上再反并联一套有源逆变装置，当电动机处于电动状态时，整流桥 T1T6 工作 ；而当电
11、动机处于发电状态时，随着直流回路电压的升高，三相可控整流器被封锁，三相可控有源逆变器 T1T6 工作，将能量回馈到电网中，同时该方式有效的阻 断了环流的发生。 众所周知，在晶闸管逆变电路中，为保证逆变器换流的可靠性，对逆变角 有一定的限制，即 min=300，同时为满足有源逆变的条件，避免直流环流，还应使变频器的最高直流侧电压 Udmax 小于逆变电压 Umin，于是带来了两个问题 : 1) 较大的 min 将引起波形畸变干扰电网，并降低了电网的功率因数。 2) 直流回路电压降低将使常规 380V 交流电机得不到充分利用。 为此人们又提出了一种可行的解决办法，就是将有源逆变器通过升压变压器与电
12、网相连，整流电路改为不可控。显然，波形和功率因数都可得到改 善，升压变压器可以切断上下桥臂产生的直流环流，同时为了限制交流环流以及满足有源逆变条件在电路中设置了电抗器，但它又有如下缺点 : 1) 增加的变压器和环流电抗器使装置的成本提高、体积增大。 2) 因只要 U U 就会启动逆变装置，使逆变桥频繁工作，损耗增加 ；由于逆变电流较小，会使电流断续而造成电网电流波形畸变，产生高次谐波，使功率因数降低。虽然可以采用电压、电流滞环控制方法来克服这一缺陷，但所有的控制均基于对逆变角 的控制，这就大大增加了 角的控制难度。特别是在发生误触发时，没有有效的方法防止有源逆变器 颠覆而产生的短路电流。 (2
13、) 可控整流 /有源逆变复用型 Keiju.Matsui 等人提出了以下几种拓扑结构，其基本思路是利用一套可控整流桥既完成整流，又实现有源逆变，这样就可以减小装置的体积，降低成本。 1) 多脉宽调制 (MPWM)方式 采用一个电抗器和一个大功率晶体管作为能量暂存环节。 900(900)，一旦交流线电压降为零，先开通大功率晶体管 Tr，将能量暂时存在电感 L 中，当电流达到 Tr 的 整定值时，关闭 Tr，同时开通 Th，由于电感 L 的续流作用，能量就通过晶闸管 T?T? 流回电网，周而复始，就可以将再生能量回馈电网。二极管 D 的作用是防止直流回路的短路电流通过 Th 流入电抗器 L 中。这种方案的优点是巧妙地利用一个整流桥同时实现整流和有源逆变两种功能，结构简单，体积较小。缺点是它的输出波形包含大量的低次奇次谐波，噪声大，同时能量回馈过程间断进行，回馈效率低，能量损耗较大，功率因数低。为减少 MPWM 输出波形包含的低次奇次谐波，进一步改善电路的结构， Keiju.Matsui 等人提出了 SPWM 方式。
