基于適用于電機變速驅動(dòng)的能量再生電路設計與分析

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，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。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。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。

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)。

3 基于電力電子變換器的再生電路