基于適用于電機變速驅動(dòng)的能量再生電路設計與分析

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。

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)槟孀儤颉?/p>

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。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，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。對于大功率電機驅動(dòng)設備，能量再生利用顯得尤為重要，可以顯著(zhù)實(shí)現節能效果，提高經(jīng)濟效益。

多電平變換器具體電路拓撲可分為5 類(lèi)：二極管箝位型、雙向開(kāi)關(guān)互聯(lián)型、飛跨電容型、兩電平變流器組合型、單相H 橋級聯(lián)型等。多單元兩電平變流器組合型拓撲已被證明是高壓變頻器的有效選擇，可以提高交流輸入側和電機側的電能質(zhì)量，但是輸入側通常采用二極管整流，缺乏再生