TEFU能量回饋單元基本原理及應用

0 引言

在變頻器電氣傳動(dòng)系統中，當電機的負載是位能式負載，如油田抽油機、礦用提升機等，或大慣量負載，如風(fēng)機、水泥制管、動(dòng)平衡機等，以及軋鋼機、大型龍門(mén)刨床、機床主軸等需要快速制動(dòng)類(lèi)負載時(shí)，電機都不可避免地存在發(fā)電過(guò)程，即電機轉子在外力的拖動(dòng)或負載自身轉動(dòng)慣量的維持下，使得電機的實(shí)際轉速大于變頻器輸出的同步轉速，電機所發(fā)出的電能，將會(huì )通過(guò)變頻器逆變橋的續流二極管組成的三相整流電路，儲存在變頻器的直流母線(xiàn)的濾波電容中。如果不把這部分能量消耗掉，直流母線(xiàn)電壓就會(huì )迅速升高，影響變頻器的正常工作。通常處理這部分能量的方法是增加制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，將這部分電能消耗在電阻上變成熱能浪費掉，而采用TEFU系列產(chǎn)品完全可以替代制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，并且可以將這部分能量回饋給電網(wǎng)，供其他設備使用，實(shí)現綠色、環(huán)保、節能的目的。本文介紹的TEFU系列能量回饋單元提出了一種正弦波電流跟蹤技術(shù)，使得回饋電網(wǎng)的電流波形畸變率5%。

1 電機再生能量的幾種常用處理辦法

在電機傳動(dòng)領(lǐng)域中，當電機快速制動(dòng)或被其他力量拖動(dòng)而工作在再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，為避免變頻器出現過(guò)流或過(guò)壓故障跳閘，需要采取一些措施來(lái)處理電機的再生發(fā)電能量。

1)采用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，制動(dòng)單元的工作原理是通過(guò)檢測變頻器的直流母線(xiàn)電壓來(lái)實(shí)現對再生能量的處理。當直流母線(xiàn)電壓超過(guò)某一設定數值(如680 V)時(shí)，打開(kāi)制動(dòng)單元的開(kāi)關(guān)將大功率制動(dòng)電阻連接到直流母線(xiàn)上，釋放儲存在變頻器內濾波電容上的電能，此時(shí)電阻將電能轉變成熱能消耗掉，制動(dòng)能量被白白浪費，效率很低。采用這種方式時(shí)，投資較少，性能上的缺點(diǎn)是制動(dòng)響應時(shí)間慢，制動(dòng)轉矩不足。

2)在變頻器的直流母線(xiàn)上并聯(lián)超級大電容，這種方式的原理如圖1所示。其原理是將電機制動(dòng)時(shí)的再生能量?jì)Υ嬖谧銐虼蟮某夒娙萜髦?，當電機工作在電動(dòng)機狀況時(shí)，又將儲存在超級大電容中的電能利用，因此，這樣的方式效率最高，基本沒(méi)有損耗，轉換效率可達99%以上(不考慮電機的發(fā)電效率)。但是這種策略存在的致命缺點(diǎn)是電容的容量一般在法拉級，受制造工藝和材料的限制，超級大電容體積非常龐大，價(jià)格昂貴。

3)采用共用直流母線(xiàn)的策略，這種方式的原理如圖2所示，但僅適合于多電機傳動(dòng)系統。當系統中某臺電機處在再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，它所發(fā)出的電能可以被處于電動(dòng)狀態(tài)的其他電機所利用。但是這種方案僅適用于多電機傳動(dòng)系統，而且要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機容量要遠小于工作在電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機容量，應用有一定的局限性。

由以上分析可見(jiàn)，不管采用上述何種方法處理電機的再生發(fā)電能量，都會(huì )或多或少地存在一些問(wèn)題，不是耗能就是價(jià)格昂貴或者應用范圍受限。針對以上問(wèn)題，很多學(xué)者都在研究能量回饋問(wèn)題。

2 TEFU系列能量回饋單元基本原理

TEFU系列能量回饋單元，通過(guò)自動(dòng)檢測變頻器的直流母線(xiàn)電壓，采用正弦波電流跟蹤技術(shù)，將變頻器直流環(huán)節的直流電壓逆變成與電網(wǎng)電壓同頻同相的三相交流電壓，經(jīng)多重噪聲濾波后連接到交流電網(wǎng)。從而達到能量回饋的目的，并且實(shí)現單位功率因數回饋，回饋到電網(wǎng)的電能達到電機發(fā)電能量的97%以上，有效節省電能，其原理框圖如圖3所示。

具體的原理拓撲結構如圖4 所示。這樣的拓撲結構可以很容易做到控制交流側和直流側之間有功功率和無(wú)功功率的交換。所謂正弦波電流跟蹤技術(shù)是指圖4 中將電網(wǎng)電壓的正弦波信號作為回饋電流的指令信號，通過(guò)閉環(huán)控制使得回饋電流波形跟蹤電網(wǎng)電壓信號的波形，從而實(shí)現回饋電流的正弦特性，減小回饋電流的畸變率。

3 實(shí)驗波形

從下面的實(shí)驗波形中，可以看到該能量回饋單元可以很好地處理電機再生發(fā)電的能量，同時(shí)完成單位功率因數回饋，而且回饋電流畸變率 5%。

圖5是能量回饋單元回饋時(shí)某一相的相電壓和回饋的相電流，圖中光滑的波形是電網(wǎng)相電壓，另一波形是回饋電流，從中可以看到回饋的功率因數約等于1，回饋電流逼近正弦波。

圖6是能量回饋單元工作時(shí)回饋電流和變頻器直流母線(xiàn)電壓的波形(100 V/div)，從圖中可以看到，制動(dòng)時(shí)變頻器直流母線(xiàn)電壓迅速上升，達到690 V

時(shí)，回饋單元立即工作，很好地將直流母線(xiàn)電壓穩定在700 V以?xún)?，變頻器的停車(chē)時(shí)間約在0.6 s，回饋單元響應迅速(2 ms以?xún)?，制動(dòng)力矩大。

4 應用

TEFU 系列能量回饋單元和變頻器一起可以應用在位能式負載或大慣量負載和其他需要快速制動(dòng)類(lèi)負載的場(chǎng)合。下面是TEFU 系列能量該回饋單元與時(shí)代TVF 8000 系列變頻器在河北某單位B2016A型龍門(mén)刨床上的應用情況。

B2016A 型龍門(mén)刨床是機械加工初用的大型機床，是制造重型設備不可缺少的工作母機，主要用來(lái)加工大型工件的各種平面、斜面和槽，在機加行業(yè)應用非常廣泛。由于技術(shù)的限制，五六十年代的龍門(mén)刨床工作臺的拖動(dòng)采用了電機擴大機—直流發(fā)電機—直流電動(dòng)機方式，造成故障率高，體積大、電耗大、控制精度差、效率低等諸多缺陷?；谝陨戏N種弊端，我們對河北某加工廠(chǎng)的B2016A 型龍門(mén)刨床進(jìn)行了變頻改造，改造方案是采用時(shí)代TVF8000系列變頻器配套TEFU 系列能量回饋單元方案+TVF8000 系列變頻器配套制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻方案。將這兩種方案進(jìn)行對比，采用回饋單元的方案比采用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方案多節能20%，節能效果顯著(zhù)。而且系統改造以后，運行穩定，可靠性高，系統維護簡(jiǎn)

單方便，回饋電能質(zhì)量高，刨床的加工精度高，提高了加工質(zhì)量與效率，延長(cháng)了刀具的使用壽命。

5 結語(yǔ)

采用正弦波電流跟蹤技術(shù)研制的TEFU 系列能量回饋單元，具有自動(dòng)識別電網(wǎng)相序，有過(guò)流、過(guò)熱、短路等全面保護功能，是一款綠色環(huán)保的節能產(chǎn)品。

從控制性能指標上看本產(chǎn)品還有改進(jìn)之處，如可以采用空間電壓矢量控制SVPWM 調制技術(shù)產(chǎn)生純凈的正弦波回饋電流等。