適用于電機變速驅(qū)動的能量再生電路分析

　　基于電壓源逆變器的通用變速驅(qū)動器輸入側(cè)一般采用二極管整流，能量無法雙向流動，在電動機制動期間，能量從電機側(cè)反饋至直流側(cè)，導致直流側(cè)電壓升高，通常的解決方法是在直流側(cè)增加由電阻和功率器件組成的制動單元，由電阻消耗掉多余的能量［1］，保持直流側(cè)的功率平衡。這種方法實現(xiàn)簡單，可靠性高，但是能量是以發(fā)熱的形式被消耗掉，對于需要頻繁制動和大功率的應用場合，會造成能量的浪費，降低了變速驅(qū)動系統(tǒng)的效率。

　　還有直流制動和電機耗能型制動的方法［2］。直流制動是在電機氣隙中疊加靜止的磁場，當轉(zhuǎn)子線圈與此靜止磁場相互作用時，線圈上感應的電壓產(chǎn)生轉(zhuǎn)子電流，與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生反方向的制動力矩，直流制動不需要額外的硬件投入，但在高轉(zhuǎn)速時有效的制動力矩相當?shù)?。電機內(nèi)部消耗動能的制動方法也不需要制動單元，通過控制轉(zhuǎn)差率，使儲存

　　在電機轉(zhuǎn)子上的動能幾乎全消耗在電機內(nèi)部，而不會回饋到直流側(cè)。這兩種方法適用于非頻繁制動、制動容量較小的場合，也可以同制動單元一起使用以增加制動容量，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電阻時同樣的問題。

　　因此，能量的再生制動方式受到了廣泛關(guān)注，通過對電機變速驅(qū)動器的調(diào)整，使能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動，把電機制動時直流側(cè)多余的能量回饋至電網(wǎng)，實現(xiàn)能量的再生利用，達到節(jié)能效果，提高變速驅(qū)動設備的效率。本文對國內(nèi)外適用于電機變速驅(qū)動器的再生電路進行了總結(jié)，對基于能量存儲設備、共用直流母線和基于電力電子變換器的再生電路進行了分析和討論，并針對目前多電平變換器在大功率變速驅(qū)動中的應用，對多電平變換器的再生電路也進行了討論，以期為變速驅(qū)動器再生制動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，儲能設備通過能量可以雙向流動的DC/DC 變換器和直流側(cè)相連。正常運行時，DC/DC變換器不參與工作，當電機需要制動時，其運行轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，能量通過逆變器進入直流側(cè)，此時啟動DC/DC 變換器，使其工作在Buck 電路狀態(tài)，對儲能設備進行充電；貯存在儲能設備中的能量也可以通過DC/DC 變換器釋放到直流側(cè)，從而實現(xiàn)了能量的再生利用［3］。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(qū)動系統(tǒng)制動或減速時的能量送到存儲設備中保存起來，達到了節(jié)能的效果，適用于需要頻繁上下坡或加減速調(diào)節(jié)的電動汽車、摩托車、觀光旅游電瓶車等。

　　儲能設備的容量決定了再生制動的能力，而儲能設備容量大時，體積和重量都會較大，成本也會相應提高，同時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合。

　　2 基于共用直流母線的再生電路

　　如果有多個變速驅(qū)動器通過直流母線互聯(lián)，一個或多個電動機產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電動機以電動的方式消耗吸收，原理圖如圖2 所示，圖中只有兩個系統(tǒng)通過直流母線互聯(lián)，實際中可以是多個互聯(lián)。當電機1和電機2都處于電動狀態(tài)時，需要的能量由電網(wǎng)供給；當電機1處于電動狀態(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共用的直流

　　母線由電機1消耗；因為這類系統(tǒng)通常包括多個變速驅(qū)動器，當有電機處于發(fā)電狀態(tài)時，一般都有電機處于電動狀態(tài)，因此自身即可以實現(xiàn)能量的再生利用。

　　當對制動性能要求較高時，考慮到多個電動機都處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài)，這時需要增加常規(guī)的制動單元以便在非常時刻起作用，也可以采用再生回饋裝置將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中［4］。

　　采用共用直流母線的再生方式，具有以下特點：共用直流母線和共用制動單元，可以大大減少整流器和制動單元的重復配置，結(jié)構(gòu)簡單合理，經(jīng)濟可靠；共用直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲能容量大；各電動機工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補，可以優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)特性；提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波電流，提高系統(tǒng)用電效率。

　　通用變頻器共用直流母線的再生方式目前已經(jīng)在工業(yè)領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，實現(xiàn)容易，不用額外增加成本，系統(tǒng)故障率低，可靠性高，能較好地實現(xiàn)節(jié)能。但是，這種方式只能用于一定的場合，即有多個變速驅(qū)動器共同使用的情況，同時要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機容量要比處于電動狀態(tài)的電機容量小很多，才能保證系統(tǒng)處于比較穩(wěn)定的運行狀態(tài)［5］?！?strong>　3 基于電力電子變換器的再生電路

　　3.1 基于晶閘管的再生電路

　　利用晶閘管構(gòu)成逆變器，可以把電機制動時直流側(cè)多余的能量回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)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(guī)的方法，使用晶閘管橋與二極管構(gòu)成的整流橋反向并聯(lián)，要實現(xiàn)晶閘管橋能量回饋時的自然換相，必須使電網(wǎng)的峰值電壓超過直流側(cè)電壓，而這對于前端使用二極管整流的通用變速驅(qū)動器來說，比較困難，因為正常運行時，直流側(cè)電壓已經(jīng)與電網(wǎng)的峰值電壓比較接近，當制動時直流側(cè)的電壓只會更高。為解決這一問題，可以采用圖3（b）和（c）的電路結(jié)構(gòu)，圖3（b）中，晶閘管橋通過變壓器與電網(wǎng)側(cè)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(qū)域；圖3（c）中，將二極管整流器調(diào)整為晶閘管整流橋，使直流側(cè)電壓可控，通過適當降低直流側(cè)電壓的設定值，保證能量再生時逆變晶閘管橋有足夠的換相區(qū)域［6］。

　　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，再生電路無法自關(guān)斷、必須依靠線電壓換相的缺陷，可以通過增加自關(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(cè)之間增加了反向電路，正常運行時，IGBT 不工作，能量通過二極管由整流器流入直流側(cè)，當需要再生制動時，使IGBT 導通，使加在晶閘管橋上的直流側(cè)電壓反向，晶閘管橋由整流橋轉(zhuǎn)變?yōu)槟孀儤颍?］。

　　圖4（b）采用晶閘管橋與單個IGBT 構(gòu)成再生電路，通過GBT控制晶閘管橋的工作區(qū)間，使能量再生時晶閘管逆變器可以工作在網(wǎng)側(cè)線電壓最大的區(qū)域，這種方式結(jié)構(gòu)和控制簡單，不需要增加無源器件如網(wǎng)側(cè)電感或變壓器等即可實現(xiàn)可靠換相，并且能一定程度地提高輸入側(cè)功率因數(shù)［7］。圖4（c）是在晶閘管逆變橋的兩端各增加一個自關(guān)斷器件，控制方法與圖4（b）類似，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(xù)流二極管，這兩個電路可以認為是圖4（b）的變形，但是可靠性要更高。圖4（d）中，在直流側(cè)能量通過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)，通過在晶閘管橋兩側(cè)增加續(xù)流二極管，使能量再生結(jié)束時，逆變晶閘管橋中的電流可以通過自身續(xù)流，而不必像圖4（b）那樣，需要通過三相不控整流橋的二極管續(xù)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問題，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，能夠方便地實現(xiàn)能量的雙向流動，正常運行時，能量由電網(wǎng)流向電機，PWM 整流器保持直流側(cè)電壓恒定，實現(xiàn)輸入側(cè)的功率因數(shù)校正（PFC）功能，需要再生制動時，能量由電機側(cè)流向電網(wǎng)，保證回饋至電網(wǎng)的電流無諧波。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(cè)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(qū)動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(cè)通過隔離二極管和直流側(cè)連接，輸出側(cè)通過電感和變速驅(qū)動器的輸入側(cè)相連。當電機電動運行時，再生

　　PWM逆變器不工作，當電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，能量由電機側(cè)回饋至直流側(cè)，導致直流母線電壓升高，當直流母線電壓超過電網(wǎng)線電壓峰值時，不控整流橋由于承受反壓而關(guān)斷，當直流母線電壓繼續(xù)升高并超過再生逆變器的啟動電壓時，逆變器開始工作，將能量從直流側(cè)回饋電網(wǎng)，當直流母線電壓下降到設定的關(guān)閉電壓時，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，保證電動機的精確制動，通過與通用變速驅(qū)動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(qū)動器的再生電路

為滿足電機驅(qū)動對高壓、大功率和高品質(zhì)變速驅(qū)動器的需求，多電平變換器拓撲得到了廣泛關(guān)注，變速驅(qū)動器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎上，實現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級（臺階）的輸出電壓，使波形更接