通用變頻器能量回饋PWM控制系統(tǒng)是一種采用有源逆變方式把電動(dòng)機(jī)減速制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能量回饋電網(wǎng)的裝置。它可以克服通用變頻器傳統(tǒng)制動(dòng)電阻方式低效、難以滿足快速制動(dòng)和頻繁正反轉(zhuǎn)的不足，使通用變頻器可在四象限運(yùn)行。本文首先回顧了變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。設(shè)計(jì)了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹了主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)思路。最后指出了能量回饋技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速技術(shù)能量回饋再生制動(dòng)PWM控制智能功率模塊檢測(cè)技術(shù)
1 引言
變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電工、信息與控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但是，在對(duì)調(diào)速節(jié)能的一片贊譽(yù)中，人們往往忽視了進(jìn)一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。事實(shí)上，從變頻器內(nèi)部研究和設(shè)計(jì)的方面看，應(yīng)用或?qū)で竽囊环N控制策略可以使變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的能量及時(shí)高效地回饋到電網(wǎng)？這正是提高效率的兩個(gè)重要途徑。第一個(gè)環(huán)節(jié)是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)"按需供能"，即在滿足生產(chǎn)機(jī)械速度、轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個(gè)環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機(jī)械中儲(chǔ)存的動(dòng)能或勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來的電能及時(shí)地、高效地"回收"到電網(wǎng)，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，一方面是節(jié)能降耗，另一方面是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的精密制動(dòng)，提高電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)性能。本文討論的就是變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制的第二個(gè)環(huán)節(jié)－變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)。在能源資源日趨緊張的今天，這項(xiàng)研究無疑具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2 通用變頻器在應(yīng)用中存在的問題
通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動(dòng)機(jī)供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)構(gòu)張力系統(tǒng)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。
3 國內(nèi)外能量回饋技術(shù)研究現(xiàn)狀
為了解決電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國西門子公司已經(jīng)推出了電機(jī)四象限運(yùn)行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個(gè)外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中。同時(shí)，已見到國外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器等的研制報(bào)道。普遍存在的問題是這些裝置價(jià)格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)的要求很高，不適合我國的國情。國內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動(dòng)方式，即通過內(nèi)置或外加制動(dòng)電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，該方法雖然簡(jiǎn)單，但有如下嚴(yán)重缺點(diǎn):
(1)浪費(fèi)能量，降低了系統(tǒng)的效率。(2)電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作。(3)簡(jiǎn)單的能耗制動(dòng)有時(shí)不能及時(shí)抑制快速制動(dòng)產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動(dòng)性能的提高(制動(dòng)力矩大，調(diào)速范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好)。
上述缺點(diǎn)決定了能耗制動(dòng)方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統(tǒng)。國內(nèi)關(guān)于能量回饋控制的研究正在進(jìn)行，但基本上都處于實(shí)驗(yàn)階段，目前已經(jīng)見到有關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道，但尚未見這方面產(chǎn)品的報(bào)道。
4 能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
按照所選用的功率開關(guān)器件的不同，能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為半控器件型結(jié)構(gòu)和全控器件型結(jié)構(gòu)兩大類。
4.1半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu)
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由于晶閘管的耐壓、耐流、耐浪涌沖擊能力是全控型功率器件所無法比擬的，加之驅(qū)動(dòng)、保護(hù)電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等原因，采用晶閘管構(gòu)成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現(xiàn)階段也仍有一定的實(shí)際意義。下面將要介紹幾種基于晶閘管的有源逆變電路的結(jié)構(gòu)、基本原理以及優(yōu)、缺點(diǎn)的對(duì)比。
(1)可控整流-可控有源逆變型
該方式是人們?cè)缙谘芯康囊环N方案?；舅悸肥窃诳煽卣鳂虻幕A(chǔ)上再反并聯(lián)一套有源逆變裝置，當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，整流橋T’1~T’6工作;而當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，隨著直流回路電壓的升高，三相可控整流器被封鎖，三相可控有源逆變器T1~T6工作，將能量回饋到電網(wǎng)中，同時(shí)該方式有效的阻斷了環(huán)流的發(fā)生。眾所周知，在晶閘管逆變電路中，為保證逆變器換流的可靠性，對(duì)逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時(shí)為滿足有源逆變的條件，避免直流環(huán)流，還應(yīng)使變頻器的最高直流側(cè)電壓Udmax小于逆變電壓Uβmin，于是帶來了兩個(gè)問題:
1)較大的αmin將引起波形畸變干擾電網(wǎng)，并降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。
2)直流回路電壓降低將使常規(guī)380V交流電機(jī)得不到充分利用。
為此人們又提出了一種可行的解決辦法，就是將有源逆變器通過升壓變壓器與電網(wǎng)相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數(shù)都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產(chǎn)生的直流環(huán)流，同時(shí)為了限制交流環(huán)流以及滿足有源逆變條件在電路中設(shè)置了電抗器，但它又有如下缺點(diǎn):
1)增加的變壓器和環(huán)流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。
2)因只要Uα<Uβ就會(huì)啟動(dòng)逆變裝置，使逆變橋頻繁工作，損耗增加;由于逆變電流較小，會(huì)使電流斷續(xù)而造成電網(wǎng)電流波形畸變，產(chǎn)生高次諧波，使功率因數(shù)降低。雖然可以采用電壓、電流滯環(huán)控制方法來克服這一缺陷，但所有的控制均基于對(duì)逆變角β的控制，這就大大增加了β角的控制難度。特別是在發(fā)生誤觸發(fā)時(shí)，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產(chǎn)生的短路電流。(2)可控整流/有源逆變復(fù)用型
Keiju.Matsui等人提出了以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實(shí)現(xiàn)有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。
1)多脈寬調(diào)制(MPWM)方式
采用一個(gè)電抗器和一個(gè)大功率晶體管作為能量暫存環(huán)節(jié)。α<900時(shí)，晶閘管S1~S6工作在整流狀態(tài)，Tr和Th不工作，電抗器L‘起續(xù)流作用;逆變時(shí)，α>900(β<900)，一旦交流線電壓降為零，先開通大功率晶體管Tr，將能量暫時(shí)存在電感L中，當(dāng)電流達(dá)到Tr的整定值時(shí)，關(guān)閉Tr，同時(shí)開通Th，由于電感L的續(xù)流作用，能量就通過晶閘管T?~T?流回電網(wǎng)，周而復(fù)始，就可以將再生能量回饋電網(wǎng)。二極管D的作用是防止直流回路的短路電流通過Th流入電抗器L中。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是巧妙地利用一個(gè)整流橋同時(shí)實(shí)現(xiàn)整流和有源逆變兩種功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小。缺點(diǎn)是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時(shí)能量回饋過程間斷進(jìn)行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數(shù)低。為減少M(fèi)PWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進(jìn)一步改善電路的結(jié)構(gòu)，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式。
2)正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式
該方式控制電路僅采用一只晶體管來實(shí)現(xiàn)能量的回饋控制，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協(xié)調(diào)配合，同時(shí)該方案的開關(guān)損耗較大，能量回饋過程是間斷進(jìn)行的。為了獲得連續(xù)的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。
3)可調(diào)的庫克(MCC)方式
該方案是在MPWM方式的基礎(chǔ)上增加一只大型電容器，通過控制電容器的充放電來保證能量回饋過程的連續(xù)，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量?jī)?chǔ)存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網(wǎng)中。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以連續(xù)的回饋再生能量，保證了電流的連續(xù)性，從而使回饋的功率較高，開關(guān)損耗較小，但由于引人了大型電容器，使裝置體積增大，成本提高，同時(shí)該電路輸出電流波形包含較大的低次奇次諧波成分，易造成負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪聲較大。
(3)滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式
上述幾種方案雖然都能實(shí)現(xiàn)能量回饋控制，但其缺點(diǎn)是顯而易見的，同時(shí)由于晶閘管存在強(qiáng)迫換流關(guān)斷的
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問題，導(dǎo)致對(duì)直流側(cè)電壓有限制，若直流側(cè)電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關(guān)斷失敗而導(dǎo)致逆變顛覆，這就限制了它們的應(yīng)用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置。其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母線換相器BC、電流調(diào)節(jié)器CR。其基本思想是當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值時(shí)啟動(dòng)該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網(wǎng)中。為了避免整流與有源逆變?cè)谝稽c(diǎn)來回切換，回饋電流采用滯環(huán)控制方式。該電路的工作原理如下:當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值(如740V)時(shí)開通Q1，將能量回饋到電網(wǎng)，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。隨著回饋電流的增加，當(dāng)電流傳感器檢測(cè)到電流超過設(shè)定值時(shí)關(guān)斷Q1，此時(shí)回饋電流開始下降，當(dāng)電流降到下限設(shè)定值時(shí)再開通Q1，如此循環(huán)往復(fù)。母線換相器BC的作用有二:一是為晶閘管的換相提供零電壓鉗位，以保證它們可靠地關(guān)斷;二是在緊急狀態(tài)時(shí)為能耗制動(dòng)提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時(shí)都觸發(fā)導(dǎo)通一次，即每600相位角導(dǎo)通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地?fù)Q相，并可以省去強(qiáng)迫換流電路。該方案采用電流滯環(huán)控制回饋電流，為一大類負(fù)載提供了一種切實(shí)可行的拓?fù)浞桨?，具有一定的通用性。其特點(diǎn)如下:
1)可廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動(dòng)的能量回饋制動(dòng)場(chǎng)合，克服了晶閘管強(qiáng)迫換相對(duì)直流側(cè)電壓限制的缺點(diǎn)。
2)這種結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，同時(shí)它控制方便，不需要輔助關(guān)斷電路，是一種經(jīng)濟(jì)可行的方式。
3)通過在回路中增加電阻R1和開關(guān)Q2，提供了能耗制動(dòng)的可選方式，可以實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)。基于晶閘管的再生能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強(qiáng)，在大容量的逆變裝置中具有一定的優(yōu)勢(shì)。但是其缺點(diǎn)是顯而易見的:它輸入功率因數(shù)低;輸入側(cè)有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。故一般用于較大容量和對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和快速性要求不太高的場(chǎng)合。
4.2全控器件型結(jié)構(gòu)
全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關(guān)頻率高、集成度高和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關(guān)器件可以提高系統(tǒng)的效率，抑制諧波和機(jī)械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的重點(diǎn)。目前國內(nèi)外流行的控制方式僅對(duì)電流回路進(jìn)行滯環(huán)控制，雖然控制方式和控制電路比較簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)的主要控制對(duì)象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善?；仞侂娏鞔笮〉目刂剖钦麄€(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)創(chuàng)新之處是擯棄了傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方式，采用了PID技術(shù)和PWM控制技術(shù)，利用電壓型PWM控制芯片SG3525A作為主控芯片進(jìn)行閉環(huán)控制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，克服了采用滯環(huán)控制時(shí)回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統(tǒng)的控制精度、動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性能。
控制系統(tǒng)包括同步信號(hào)獲取電路、電壓檢測(cè)與控制電路、電流檢測(cè)與控制電路、以及故障檢測(cè)、顯示與保護(hù)電路。其中，同步信號(hào)電路是有源逆變的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，回饋電流的檢測(cè)與控制則是系統(tǒng)的控制核心和難點(diǎn)。
同步信號(hào)獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實(shí)驗(yàn)表明，該方法線路簡(jiǎn)單，精度高，可以很好地滿足控制系統(tǒng)的要求。
電壓檢測(cè)和控制電路采用高速高線性度光電耦合器TLP559將直流母線電壓線性地變?yōu)槿蹼妷盒盘?hào)，該信號(hào)經(jīng)變換后為回饋電流提供控制信號(hào)，以決定是否開啟逆變裝置進(jìn)行能量回饋。
電流檢測(cè)及控制電路使回饋系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。能量回饋過程中，首先要保證回饋電流的大小要滿足回饋功率的要求。同時(shí)回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統(tǒng)的控制性能，因此對(duì)電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對(duì)回饋電流進(jìn)行檢測(cè)，霍爾電流傳感器的特點(diǎn)是體積小、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調(diào)節(jié)器和SG3525A型PWM控制芯片進(jìn)行脈寬調(diào)制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地控制回饋能量。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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