适用于电机变速驱动的能量再生电路分析

<[p] >0 引言<[p] >基于电压源逆变器的通用变速驱动器输入侧一般采用二极管整流，能量无法双向流动，在电动机制动期间，能量从电机侧反馈至直流侧，导致直流侧电压升高，通常的解决方法是在直流侧增加由电阻和功率器件组成的制动单元，由电阻消耗掉多余的能量[1]，保持直流侧的功率平衡。这种方法实现简单，可靠性高，但是能量是以发热的形式被消耗掉，对于需要频繁制动和大功率的应用场合，会造成能量的浪费，降低了变速驱动系统的效率。<[p] >还有直流制动和电机耗能型制动的方法[2]。直流制动是在电机气隙中叠加静止的磁场，当转子线圈与此静止磁场相互作用时，线圈上感应的电压产生转子电流，与气隙磁场相互作用产生反方向的制动力矩，直流制动不需要额外的硬件投入，但在高转速时有效的制动力矩相当低。电机内部消耗动能的制动方法也不需要制动单元，通过控制转差率，使储存<[p] >在电机转子上的动能几乎全消耗在电机内部，而不会回馈到直流侧。这两种方法适用于非频繁制动、制动容量较小的场合，也可以同制动单元一起使用以增加制动容量，但是能量也是以发热的形式被消耗掉，因此存在和使用制动电阻时同样的问题。<[p] >因此，能量的再生制动方式受到了广泛关注，通过对电机变速驱动器的调整，使能量可以在电网和电机之间双向流动，把电机制动时直流侧多余的能量回馈至电网，实现能量的再生利用，达到节能效果，提高变速驱动设备的效率。本文对国内外适用于电机变速驱动器的再生电路进行了总结，对基于能量存储设备、共用直流母线和基于电力电子变换器的再生电路进行了分析和讨论，并针对目前多电平变换器在大功率变速驱动中的应用，对多电平变换器的再生电路也进行了讨论，以期为变速驱动器再生制动电路的选择提供参考。<[p] >1 基于能量存储设备的再生电路<[p] >图1是使用能量存储设备的再生电路，储能设备通过能量可以双向流动的DC/DC 变换器和直流侧相连。正常运行时，DC/DC变换器不参与工作，当电机需要制动时，其运行转入发电状态，能量通过逆变器进入直流侧，此时启动DC/DC 变换器，使其工作在Buck 电路状态，对储能设备进行充电;贮存在储能设备中的能量也可以通过DC/DC 变换器释放到直流侧，从而实现了能量的再生利用[3]。能量存储设备可以选择蓄电池、超级电容器等，这种方式把驱动系统制动或减速时的能量送到存储设备中保存起来，达到了节能的效果，适用于需要频繁上下坡或加减速调节的电动汽车、摩托车、观光旅游电瓶车等。与此静止磁场相互作用时，线圈上感应的电压产生转子电流，与气隙磁场相互作用产生反方向的制动<[p] >力矩，直流制动不需要额外的硬件投入，但在高转速时有效的制动力矩相当低。电机内部消耗动能的制动方法也不需要制动单元，通过控制转差率，使储存在电机转子上的动能几乎全消耗在电机内部，而不会回馈到直流侧。这两种方法适用于非频繁制动、制动容量较小的场合，也可以同制动单元一起使用以增加制动容量，但是能量也是以发热的形式被消耗掉，因此存在和使用制动电阻时同样的问题。<[p] >因此，能量的再生制动方式受到了广泛关注，通过对电机变速驱动器的调整，使能量可以在电网和电机之间双向流动，把电机制动时直流侧多余的能量回馈至电网，实现能量的再生利用，达到节能效果，提高变速驱动设备的效率。本文对国内外适用于电机变速驱动器的再生电路进行了总结，对基于能量存储设备、共用直流母线和基于电力电子变换器的再生电路进行了分析和讨论，并针对目前多电平变换器在大功率变速驱动中的应用，对多电平变换器的再生电路也进行了讨论，以期为变速驱动器再生制动电路的选择提供参考。<[p] >1 基于能量存储设备的再生电路<[p] >图1是使用能量存储设备的再生电路，储能设备通过能量可以双向流动的DC/DC 变换器和直流侧相连。正常运行时，DC/DC变换器不参与工作，当电机需要制动时，其运行转入发电状态，能量通过逆变器进入直流侧，此时启动DC/DC 变换器，使其工作在Buck 电路状态，对储能设备进行充电;贮存在储能设备中的能量也可以通过DC/DC 变换器释放到直流侧，从而实现了能量的再生利用[3]。能量存储设备可以选择蓄电池、超级电容器等，这种方式把驱动系统制动或减速时的能量送到存储设备中保存起来，达到了节能的效果，适用于需要频繁上下坡或加减速调节的电动汽车、摩托车、观光旅游电瓶车等。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >储能设备的容量决定了再生制动的能力，而储能设备容量大时，体积和重量都会较大，成本也会相应提高，同时储能设备还需要维护，因此这种方式适用于再生能量较小的场合。<[p] >2 基于共用直流母线的再生电路<[p] >如果有多个变速驱动器通过直流母线互联，一个或多个电动机产生的再生能量就可以被其他电动机以电动的方式消耗吸收，原理图如图2 所示，图中只有两个系统通过直流母线互联，实际中可以是多个互联。当电机1和电机2都处于电动状态时，需要的能量由电网供给;当电机1处于电动状态，电机2 处于发电状态，则电机2反馈的能量可以通过共用的直流<[p] >母线由电机1消耗;因为这类系统通常包括多个变速驱动器，当有电机处于发电状态时，一般都有电机处于电动状态，因此自身即可以实现能量的再生利用。<[p] >当对制动性能要求较高时，考虑到多个电动机都处于连续发电状态，这时需要增加常规的制动单元以便在非常时刻起作用，也可以采用再生回馈装置将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中[4]。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >采用共用直流母线的再生方式，具有以下特点：共用直流母线和共用制动单元，可以大大减少整流器和制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠;共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大;各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，可以优化系统的动态特性;提高系统功率因数，降低电网谐波电流，提高系统用电效率。<[p] >通用变频器共用直流母线的再生方式目前已经在工业领域的很多机械设备上得到应用，如离心机、化纤设备、造纸机等，实现容易，不用额外增加成本，系统故障率低，可靠性高，能较好地实现节能。但是，这种方式只能用于一定的场合，即有多个变速驱动器共同使用的情况，同时要求处于发电状态的电机容量要比处于电动状态的电机容量小很多，才能保证系统处于比较稳定的运行状态[5]。<[p] >3 基于电力电子变换器的再生电路<[p] >3.1 基于晶闸管的再生电路<[p] >利用晶闸管构成逆变器，可以把电机制动时直流侧多余的能量回馈到电网，实现能量的再生利用，图3是基于晶闸管的再生电路。图3(a)是一种常规的方法，使用晶闸管桥与二极管构成的整流桥反向并联，要实现晶闸管桥能量回馈时的自然换相，必须使电网的峰值电压超过直流侧电压，而这对于前端使用二极管整流的通用变速驱动器来说，比较困难，因为正常运行时，直流侧电压已经与电网的峰值电压比较接近，当制动时直流侧的电压只会更高。为解决这一问题，可以采用图3(b)和(c)的电路结构，图3(b)中，晶闸管桥通过变压器与电网侧连接，从晶闸管桥的角度看，等于升高了电网电压，扩大了换相区域;图3(c)中，将二极管整流器调整为晶闸管整流桥，使直流侧电压可控，通过适当降低直流侧电压的设定值，保证能量再生时逆变晶闸管桥有足够的换相区域[6]。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >3.2 基于晶闸管与自关断器件混合使用的再生电路<[p] >为了克服单纯使用晶闸管时，再生电路无法自关断、必须依靠线电压换相的缺陷，可以通过增加自关断器件如IGBT等，与晶闸管桥配合使用，保证其可靠换相，图4是晶闸管与自关断器件混合使用的再生电路。图4(a)在输入晶闸管桥和直流侧之间增加了反向电路，正常运行时，IGBT 不工作，能量通过二极管由整流器流入直流侧，当需要再生制动时，使IGBT 导通，使加在晶闸管桥上的直流侧电压反向，晶闸管桥由整流桥转变为逆变桥[6]。 [[p] ] <[p] >图4(b)采用晶闸管桥与单个IGBT 构成再生电路，通过GBT控制晶闸管桥的工作区间，使能量再生时晶闸管逆变器可以工作在网侧线电压最大的区域，这种方式结构和控制简单，不需要增加无源器件如网侧电感或变压器等即可实现可靠换相，并且能一定程度地提高输入侧功率因数[7]。图4(c)是在晶闸管逆变桥的两端各增加一个自关断器件，控制方法与图4(b)类似，但是更加灵活;图4(d)的整流桥采用三相半控桥，晶闸管逆变桥输入端并联了续流二极管，这两个电路可以认为是图4(b)的变形，但是可靠性要更高。图4(d)中，在直流侧能量通过逆变晶闸管桥回馈至电网期间，三相半控桥的晶闸管处于关断状态，通过在晶闸管桥两侧增加续流二极管，使能量再生结束时，逆变晶闸管桥中的电流可以通过自身续流，而不必像图4(b)那样，需要通过三相不控整流桥的二极管续流。<[p] >3.3 基于自关断器件的再生电路<[p] >前面两种使用晶闸管的再生电路，向电网回馈的能量中通常含有较大的谐波成分，而采用自关断器件的再生电路可以较好地解决这个问题，图5即是基于自关断器件的再生电路。图5(a)的双[p] WM变换器目前很常用，通常基于IGBT等自关断器件，能够方便地实现能量的双向流动，正常运行时，能量由电网流向电机，[p] WM 整流器保持直流侧电压恒定，实现输入侧的功率因数校正([p] FC)功能，需要再生制动时，能量由电机侧流向电网，保证回馈至电网的电流无谐波。这种方式功能强大，控制灵活，但使用的全控型功率器件较多，需要输入侧滤波电感，控制也较复杂，因而成本较高。<[p] >图5(b)是在通用变速驱动器电路基础上增加了[p] WM逆变器作为能量再生电路，逆变器的输入侧通过隔离二极管和直流侧连接，输出侧通过电感和变速驱动器的输入侧相连。当电机电动运行时，再生<[p] >[p] WM逆变器不工作，当电机处于再生发电状态时，能量由电机侧回馈至直流侧，导致直流母线电压升高，当直流母线电压超过电网线电压峰值时，不控整流桥由于承受反压而关断，当直流母线电压继续升高并超过再生逆变器的启动电压时，逆变器开始工作，将能量从直流侧回馈电网，当直流母线电压下降到设定的关闭电压时，关闭再生逆变器[8]。和图5(a)电路一样，这种方式也可以保证回馈至电网的电能质量，保证电动机的精确制动，通过与通用变速驱动器配合使用拓宽了应用范围，和双[p] WM 变换器比较，具有一定的成本优势。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >4 多电平变速驱动器的再生电路<[p] >为满足电机驱动对高压、大功率和高品质变速驱动器的需求，多电平变换器拓扑得到了广泛关注，变速驱动器采用多电平方式后，可以在常规功率器件耐压基础上，实现高电压等级，获得更多级(台阶)的输出电压，使波形更接近正弦，谐波含量少，电压变化率小，并获得更大的输出容量。对于大功率电机驱动设备，能量再生利用显得尤为重要，可以显著实现节能效果，提高经济效益。<[p] >多电平变换器具体电路拓扑可分为5 类：二极管箝位型、双向开关互联型、飞跨电容型、两电平变流器组合型、单相H 桥级联型等[9]。多单元两电平变流器组合型拓扑已被证明是高压变频器的有效选择，可以提高交流输入侧和电机侧的电能质量，但是输入侧通常采用二极管整流，缺乏再生运行模式，输入侧功率因数不可控，每个单元注入直流侧的电流谐波较大，导致直流侧必须使用较大容量的电解电容，如果以有源前端整流器代替基于二极管的输入整流器，则可以解决这些缺陷[10]。文献[11]对适用于多电平拓扑的再生单元进行了分析，提出了一种新的再生单元，可以实现能量的双向流动，通过再生单元的组合，可以构造适于能量再生的组合型多电平拓扑。<[p] >二极管箝位型多电平拓扑结构简单，控制灵活，近年来在大功率变频调速、无功补偿、大功率稳压电源等方面均有较多的应用，但是随着电平数的增多，箝位器件的数目也会增多，导致系统的实现比较困难，因此在大功率场合，以三电平、五电平应用居多。图6 是二极管箝位型三电平双[p] WM变换器在变速驱动系统中的应用，功能和两电平双[p] WM变换器相似，功率器件和电容增加了一倍，并额外增加了箝位二极管，可以方便地实现电动机的再生制动，文献[12]比较了几种应用于多电平变速驱动器的再生电路，包括前端整流和能量再生采用双晶闸管桥的拓扑，认为从能量再生的角度考虑，图6的拓扑是较好的选择。<[p] >&nbs[p] ;<[p] >&nbs[p] ;<[p] >5 结语<[p] >再生制动功能对变速驱动器有着非常重要的意义，可以有效提高系统的效率，实现节能目的。本文通过对变速驱动器各种再生电路的分析和讨论，为实际应用的选择提供参考。基于能量存储设备和共用直流母线的再生电路，适用于一些特定的应用场合。基于电力电子变换器的再生电路，目前的使用非常多，其中使用晶闸管的再生电路，成本较低，容易实现大功率等级，但是由于晶闸管是半控型器件，必须考虑其换相的问题，需要采取措施保证其可靠换相，同时会向电网注入一定的谐波电流;基于全控型器件的再生电路，尽管成本相对较高，但是性能优良，既能方便地实现能量的双向流动，又能显著提高电网侧的电能质量，因此具有较好的应用前景。对于应用于多电平拓扑的再生电路，三电平双[p] WM变换器也是一种优选的方案。