適用于電機變速驅動(dòng)的能量再生電路分析

　　基于電壓源逆變器的通用變速驅動(dòng)器輸入側一般采用二極管整流，能量無(wú)法雙向流動(dòng)，在電動(dòng)機制動(dòng)期間，能量從電機側反饋至直流側，導致直流側電壓升高，通常的解決方法是在直流側增加由電阻和功率器件組成的制動(dòng)單元，由電阻消耗掉多余的能量［1］，保持直流側的功率平衡。這種方法實(shí)現簡(jiǎn)單，可靠性高，但是能量是以發(fā)熱的形式被消耗掉，對于需要頻繁制動(dòng)和大功率的應用場(chǎng)合，會(huì )造成能量的浪費，降低了變速驅動(dòng)系統的效率。

　　還有直流制動(dòng)和電機耗能型制動(dòng)的方法［2］。直流制動(dòng)是在電機氣隙中疊加靜止的磁場(chǎng)，當轉子線(xiàn)圈與此靜止磁場(chǎng)相互作用時(shí)，線(xiàn)圈上感應的電壓產(chǎn)生轉子電流，與氣隙磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生反方向的制動(dòng)力矩，直流制動(dòng)不需要額外的硬件投入，但在高轉速時(shí)有效的制動(dòng)力矩相當低。電機內部消耗動(dòng)能的制動(dòng)方法也不需要制動(dòng)單元，通過(guò)控制轉差率，使儲存

　　在電機轉子上的動(dòng)能幾乎全消耗在電機內部，而不會(huì )回饋到直流側。這兩種方法適用于非頻繁制動(dòng)、制動(dòng)容量較小的場(chǎng)合，也可以同制動(dòng)單元一起使用以增加制動(dòng)容量，但是能量也是以發(fā)熱的形式被消耗掉，因此存在和使用制動(dòng)電阻時(shí)同樣的問(wèn)題。

　　因此，能量的再生制動(dòng)方式受到了廣泛關(guān)注，通過(guò)對電機變速驅動(dòng)器的調整，使能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動(dòng)，把電機制動(dòng)時(shí)直流側多余的能量回饋至電網(wǎng)，實(shí)現能量的再生利用，達到節能效果，提高變速驅動(dòng)設備的效率。本文對國內外適用于電機變速驅動(dòng)器的再生電路進(jìn)行了總結，對基于能量存儲設備、共用直流母線(xiàn)和基于電力電子變換器的再生電路進(jìn)行了分析和討論，并針對目前多電平變換器在大功率變速驅動(dòng)中的應用，對多電平變換器的再生電路也進(jìn)行了討論，以期為變速驅動(dòng)器再生制動(dòng)電路的選擇提供參考。

　　1 基于能量存儲設備的再生電路

　　圖1是使用能量存儲設備的再生電路，儲能設備通過(guò)能量可以雙向流動(dòng)的DC/DC 變換器和直流側相連。正常運行時(shí)，DC/DC變換器不參與工作，當電機需要制動(dòng)時(shí)，其運行轉入發(fā)電狀態(tài)，能量通過(guò)逆變器進(jìn)入直流側，此時(shí)啟動(dòng)DC/DC 變換器，使其工作在Buck 電路狀態(tài)，對儲能設備進(jìn)行充電；貯存在儲能設備中的能量也可以通過(guò)DC/DC 變換器釋放到直流側，從而實(shí)現了能量的再生利用［3］。能量存儲設備可以選擇蓄電池、超級電容器等，這種方式把驅動(dòng)系統制動(dòng)或減速時(shí)的能量送到存儲設備中保存起來(lái)，達到了節能的效果，適用于需要頻繁上下坡或加減速調節的電動(dòng)汽車(chē)、摩托車(chē)、觀(guān)光旅游電瓶車(chē)等。

　　儲能設備的容量決定了再生制動(dòng)的能力，而儲能設備容量大時(shí)，體積和重量都會(huì )較大，成本也會(huì )相應提高，同時(shí)儲能設備還需要維護，因此這種方式適用于再生能量較小的場(chǎng)合。

　　2 基于共用直流母線(xiàn)的再生電路

　　如果有多個(gè)變速驅動(dòng)器通過(guò)直流母線(xiàn)互聯(lián)，一個(gè)或多個(gè)電動(dòng)機產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電動(dòng)機以電動(dòng)的方式消耗吸收，原理圖如圖2 所示，圖中只有兩個(gè)系統通過(guò)直流母線(xiàn)互聯(lián)，實(shí)際中可以是多個(gè)互聯(lián)。當電機1和電機2都處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要的能量由電網(wǎng)供給；當電機1處于電動(dòng)狀態(tài)，電機2 處于發(fā)電狀態(tài)，則電機2反饋的能量可以通過(guò)共用的直流

　　母線(xiàn)由電機1消耗；因為這類(lèi)系統通常包括多個(gè)變速驅動(dòng)器，當有電機處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，一般都有電機處于電動(dòng)狀態(tài)，因此自身即可以實(shí)現能量的再生利用。

　　當對制動(dòng)性能要求較高時(shí)，考慮到多個(gè)電動(dòng)機都處于連續發(fā)電狀態(tài)，這時(shí)需要增加常規的制動(dòng)單元以便在非常時(shí)刻起作用，也可以采用再生回饋裝置將直流母線(xiàn)上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中［4］。

　　采用共用直流母線(xiàn)的再生方式，具有以下特點(diǎn)：共用直流母線(xiàn)和共用制動(dòng)單元，可以大大減少整流器和制動(dòng)單元的重復配置，結構簡(jiǎn)單合理，經(jīng)濟可靠；共用直流母線(xiàn)的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲能容量大；各電動(dòng)機工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補，可以?xún)?yōu)化系統的動(dòng)態(tài)特性；提高系統功率因數，降低電網(wǎng)諧波電流，提高系統用電效率。

　　通用變頻器共用直流母線(xiàn)的再生方式目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域的很多機械設備上得到應用，如離心機、化纖設備、造紙機等，實(shí)現容易，不用額外增加成本，系統故障率低，可靠性高，能較好地實(shí)現節能。但是，這種方式只能用于一定的場(chǎng)合，即有多個(gè)變速驅動(dòng)器共同使用的情況，同時(shí)要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機容量要比處于電動(dòng)狀態(tài)的電機容量小很多，才能保證系統處于比較穩定的運行狀態(tài)［5］?！?strong>　3 基于電力電子變換器的再生電路

　　3.1 基于晶閘管的再生電路

　　利用晶閘管構成逆變器，可以把電機制動(dòng)時(shí)直流側多余的能量回饋到電網(wǎng)，實(shí)現能量的再生利用，圖3是基于晶閘管的再生電路。圖3（a）是一種常規的方法，使用晶閘管橋與二極管構成的整流橋反向并聯(lián)，要實(shí)現晶閘管橋能量回饋時(shí)的自然換相，必須使電網(wǎng)的峰值電壓超過(guò)直流側電壓，而這對于前端使用二極管整流的通用變速驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，比較困難，因為正常運行時(shí)，直流側電壓已經(jīng)與電網(wǎng)的峰值電壓比較接近，當制動(dòng)時(shí)直流側的電壓只會(huì )更高。為解決這一問(wèn)題，可以采用圖3（b）和（c）的電路結構，圖3（b）中，晶閘管橋通過(guò)變壓器與電網(wǎng)側連接，從晶閘管橋的角度看，等于升高了電網(wǎng)電壓，擴大了換相區域；圖3（c）中，將二極管整流器調整為晶閘管整流橋，使直流側電壓可控，通過(guò)適當降低直流側電壓的設定值，保證能量再生時(shí)逆變晶閘管橋有足夠的換相區域［6］。

　　3.2 基于晶閘管與自關(guān)斷器件混合使用的再生電路

　　為了克服單純使用晶閘管時(shí)，再生電路無(wú)法自關(guān)斷、必須依靠線(xiàn)電壓換相的缺陷，可以通過(guò)增加自關(guān)斷器件如IGBT等，與晶閘管橋配合使用，保證其可靠換相，圖4是晶閘管與自關(guān)斷器件混合使用的再生電路。圖4（a）在輸入晶閘管橋和直流側之間增加了反向電路，正常運行時(shí)，IGBT 不工作，能量通過(guò)二極管由整流器流入直流側，當需要再生制動(dòng)時(shí)，使IGBT 導通，使加在晶閘管橋上的直流側電壓反向，晶閘管橋由整流橋轉變?yōu)槟孀儤颍?］。

　　圖4（b）采用晶閘管橋與單個(gè)IGBT 構成再生電路，通過(guò)GBT控制晶閘管橋的工作區間，使能量再生時(shí)晶閘管逆變器可以工作在網(wǎng)側線(xiàn)電壓最大的區域，這種方式結構和控制簡(jiǎn)單，不需要增加無(wú)源器件如網(wǎng)側電感或變壓器等即可實(shí)現可靠換相，并且能一定程度地提高輸入側功率因數［7］。圖4（c）是在晶閘管逆變橋的兩端各增加一個(gè)自關(guān)斷器件，控制方法與圖4（b）類(lèi)似，但是更加靈活；圖4（d）的整流橋采用三相半控橋，晶閘管逆變橋輸入端并聯(lián)了續流二極管，這兩個(gè)電路可以認為是圖4（b）的變形，但是可靠性要更高。圖4（d）中，在直流側能量通過(guò)逆變晶閘管橋回饋至電網(wǎng)期間，三相半控橋的晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，通過(guò)在晶閘管橋兩側增加續流二極管，使能量再生結束時(shí)，逆變晶閘管橋中的電流可以通過(guò)自身續流，而不必像圖4（b）那樣，需要通過(guò)三相不控整流橋的二極管續流。

　　3.3 基于自關(guān)斷器件的再生電路

　　前面兩種使用晶閘管的再生電路，向電網(wǎng)回饋的能量中通常含有較大的諧波成分，而采用自關(guān)斷器件的再生電路可以較好地解決這個(gè)問(wèn)題，圖5即是基于自關(guān)斷器件的再生電路。圖5（a）的雙PWM變換器目前很常用，通?；贗GBT等自關(guān)斷器件，能夠方便地實(shí)現能量的雙向流動(dòng)，正常運行時(shí)，能量由電網(wǎng)流向電機，PWM 整流器保持直流側電壓恒定，實(shí)現輸入側的功率因數校正（PFC）功能，需要再生制動(dòng)時(shí)，能量由電機側流向電網(wǎng)，保證回饋至電網(wǎng)的電流無(wú)諧波。這種方式功能強大，控制靈活，但使用的全控型功率器件較多，需要輸入側濾波電感，控制也較復雜，因而成本較高。

　　圖5（b）是在通用變速驅動(dòng)器電路基礎上增加了PWM逆變器作為能量再生電路，逆變器的輸入側通過(guò)隔離二極管和直流側連接，輸出側通過(guò)電感和變速驅動(dòng)器的輸入側相連。當電機電動(dòng)運行時(shí)，再生

　　PWM逆變器不工作，當電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量由電機側回饋至直流側，導致直流母線(xiàn)電壓升高，當直流母線(xiàn)電壓超過(guò)電網(wǎng)線(xiàn)電壓峰值時(shí)，不控整流橋由于承受反壓而關(guān)斷，當直流母線(xiàn)電壓繼續升高并超過(guò)再生逆變器的啟動(dòng)電壓時(shí)，逆變器開(kāi)始工作，將能量從直流側回饋電網(wǎng)，當直流母線(xiàn)電壓下降到設定的關(guān)閉電壓時(shí)，關(guān)閉再生逆變器［8］。和圖5（a）電路一樣，這種方式也可以保證回饋至電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證電動(dòng)機的精確制動(dòng)，通過(guò)與通用變速驅動(dòng)器配合使用拓寬了應用范圍，和雙PWM 變換器比較，具有一定的成本優(yōu)勢。

　　4 多電平變速驅動(dòng)器的再生電路

為滿(mǎn)足電機驅動(dòng)對高壓、大功率和高品質(zhì)變速驅動(dòng)器的需求，多電平變換器拓撲得到了廣泛關(guān)注，變速驅動(dòng)器采用多電平方式后，可以在常規功率器件耐壓基礎上，實(shí)現高電壓等級，獲得更多級（臺階）的輸出電壓，使波形更接