變頻調速器能耗回饋的解決方法

在通用變頻器、異步電動(dòng)機和機械負載所組成的變頻調速傳統系統中，當電動(dòng)機所傳動(dòng)的位能負載下放時(shí)，電動(dòng)機將可能處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)；或當電動(dòng)機從高速到低速（含停車(chē)）減速時(shí)，頻率可以突減，但因電機的機械慣性，電機可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，傳動(dòng)系統中所儲存的機械能經(jīng)電動(dòng)機轉換成電能，通過(guò)逆變器的六個(gè)續流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。這時(shí)，如果變頻器中沒(méi)采取消耗能量的措施，這部分能量將導致中間回路的儲能電容器的電壓上升。如果當制動(dòng)過(guò)快或機械負載為提升機類(lèi)時(shí)，這部分能量就可能對變頻器帶來(lái)?yè)p壞，所以這部分能量我們就應該考慮考慮了。

在通用變頻器中，對再生能量最常用的處理方式有兩種：(1)、耗散到直流回路中人為設置的與電容器并聯(lián)的“制動(dòng)電阻”中，稱(chēng)之為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)；(2)、使之回饋到電網(wǎng)，則稱(chēng)之為回饋制動(dòng)狀態(tài)（又稱(chēng)再生制動(dòng)狀態(tài)）。還有一種制動(dòng)方式，即直流制動(dòng)，可以用于要求準確停車(chē)的情況或起動(dòng)前制動(dòng)電機由于外界因素引起的不規則旋轉。

在書(shū)籍、刊物上有許多專(zhuān)家談?wù)撨^(guò)有關(guān)變頻器制動(dòng)方面的設計與應用，尤其是近些時(shí)間有過(guò)許多關(guān)于“能量回饋制動(dòng)”方面的文章。今天，筆者提供一種新型的制動(dòng)方法，它具有“回饋制動(dòng)”的四象限運轉、運行效率高等優(yōu)點(diǎn)，也具有“能耗制動(dòng)”對電網(wǎng)無(wú)污染、可靠性高等好處。

2 能耗制動(dòng)

利用設置在直流回路中的制動(dòng)電阻吸收電機的再生電能的方式稱(chēng)為能耗制動(dòng)，如圖1所示。

其優(yōu)點(diǎn)是構造簡(jiǎn)單；對電網(wǎng)無(wú)污染（與回饋制動(dòng)作比較），成本低廉；缺點(diǎn)是運行效率低，特別是在頻繁制動(dòng)時(shí)將要消耗大量的能量且制動(dòng)電阻的容量將增大。

一般在通用變頻器中，小功率變頻器（22kW以下）內置有了剎車(chē)單元，只需外加剎車(chē)電阻。大功率變頻器（22kW以上）就需外置剎車(chē)單元、剎車(chē)電阻了。

3 回饋制動(dòng)

實(shí)現能量回饋制動(dòng)就要求電壓同頻同相控制、回饋電流控制等條件。它是采用有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現制動(dòng)如圖2所示。

回饋制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能四象限運行,如圖3所示，電能回饋提高了系統的效率。其缺點(diǎn)是：(1)、只有在不易發(fā)生故障的穩定電網(wǎng)電壓下（電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大于10%），才可以采用這種回饋制動(dòng)方式。因為在發(fā)電制動(dòng)運行時(shí)，電網(wǎng)電壓故障時(shí)間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。(2)、在回饋時(shí)，對電網(wǎng)有諧波污染。(3)、控制復雜，成本較高。

4新型制動(dòng)方式（電容反饋制動(dòng)）

4.1主回路原理

主回路原理圖如圖4所示。

整流部分采用普通的不可控整流橋進(jìn)行整流（如圖中的VD1——VD6組成），濾波回路采用通用的電解電容（圖中C1、C2），延時(shí)回路采用接觸器或可控硅都行（圖中Ｔ1）。充電、反饋回路由功率模塊IGBT（圖中VT1、VT2）、充電、反饋電抗器L及大電解電容Ｃ（容量約零點(diǎn)幾法，可根據變頻器所在的工況系統決定）組成。逆變部分由功率模塊IGBT組成（如圖VT5—VT10）。保護回路，由IGBT、功率電阻組成。

1) 電動(dòng)機發(fā)電運行狀態(tài)

CPU對輸入的交流電壓和直流回路電壓νd的實(shí)時(shí)監控，決定向VT1是否發(fā)出充電信號，一旦νd比輸入交流電壓所對應的直流電壓值（如380VAC—530VDC）高到一定值時(shí)，CPU關(guān)斷VT3，通過(guò)對VT1的脈沖導通實(shí)現對電解電容C的充電過(guò)程。此時(shí)的電抗器L與電解電容C分壓，從而確保電解電容C工作在安全范圍內。當電解電容C上的電壓快到危險值（比如說(shuō)370V），而系統仍處于發(fā)電狀態(tài)，電能不斷通過(guò)逆變部分回送到直流回路中時(shí)，安全回路發(fā)揮作用，實(shí)現能耗制動(dòng)（電阻制動(dòng)），控制VT3的關(guān)斷與開(kāi)通，從而實(shí)現電阻R消耗多余的能量，一般這種情況是不會(huì )出現的。

(2) 電動(dòng)機電動(dòng)運行狀態(tài)

當CPU發(fā)現系統不再充電時(shí)，則對VT3進(jìn)行脈沖導通，使得在電抗器L上行成了一個(gè)瞬時(shí)左正右負的電壓（如圖標識），再加上電解電容C上的電壓就能實(shí)現從電容到直流回路的能量反饋過(guò)程。CPU通過(guò)對電解電容C上的電壓和直流回路的電壓的檢測，控制VT3的開(kāi)關(guān)頻率以及占空比,從而控制反饋電流，確保直流回路電壓νd不出現過(guò)高。

4.4系統難點(diǎn)

(1)電抗器的選取

(a)、我們考慮到工況的特殊性，假設系統出現某種故障，導致電機所載的位能負載自由加速下落，這時(shí)電機處于一種發(fā)電運行狀態(tài)，

再生能量通過(guò)六個(gè)續流二極管回送至直流回路，致使νd升高，很快使變頻器處于充電狀態(tài)，這時(shí)的電流會(huì )很大。所以所選取電抗器線(xiàn)徑要大到能通過(guò)此時(shí)的電流。

（b）、在反饋回路中，為了使電解電容在下次充電前把盡可能多的電能釋放出來(lái)，選取普通的鐵芯（硅鋼片）是不能達到目的的，最好選用鐵氧體材料制成的鐵芯，再看看上述考慮的電流值如此大，可見(jiàn)這個(gè)鐵芯有多大，素不知市面上有無(wú)這么大的鐵氧體鐵芯，即使有，其價(jià)格也肯定不會(huì )很低。

所以筆者建議充電、反饋回路各采用一個(gè)電抗器。

(2)控制上的難點(diǎn)

（a）、變頻器的直流回路中，電壓νd一般都高于500VDC，而電解電容Ｃ的耐壓才400VDC，可見(jiàn)這種充電過(guò)程的控制就不像能量制動(dòng)（電阻制動(dòng)）的控制方式了。其在電抗器上所產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓降為 ，電解電容Ｃ的瞬時(shí)充電電壓為νc=νd-νL，為了確保電解電容工作在安全范圍內（≤400V），就得有效的控制電抗器上的電壓降νL，而電壓降νL又取決于電感量和電流的瞬時(shí)變化率。

（b）、在反饋過(guò)程中，還得防止電解電容Ｃ所放的電能通過(guò)電抗器造成直流回路電壓過(guò)高，以致系統出現過(guò)壓保護。