TEFU能量回饋單元基本原理及應(yīng)用

0 引言

在變頻器電氣傳動系統(tǒng)中，當電機的負載是位能式負載，如油田抽油機、礦用提升機等，或大慣量負載，如風機、水泥制管、動平衡機等，以及軋鋼機、大型龍門刨床、機床主軸等需要快速制動類負載時，電機都不可避免地存在發(fā)電過程，即電機轉(zhuǎn)子在外力的拖動或負載自身轉(zhuǎn)動慣量的維持下，使得電機的實際轉(zhuǎn)速大于變頻器輸出的同步轉(zhuǎn)速，電機所發(fā)出的電能，將會通過變頻器逆變橋的續(xù)流二極管組成的三相整流電路，儲存在變頻器的直流母線的濾波電容中。如果不把這部分能量消耗掉，直流母線電壓就會迅速升高，影響變頻器的正常工作。通常處理這部分能量的方法是增加制動單元和制動電阻，將這部分電能消耗在電阻上變成熱能浪費掉，而采用TEFU系列產(chǎn)品完全可以替代制動單元和制動電阻，并且可以將這部分能量回饋給電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用，實現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能的目的。本文介紹的TEFU系列能量回饋單元提出了一種正弦波電流跟蹤技術(shù)，使得回饋電網(wǎng)的電流波形畸變率5%。

1 電機再生能量的幾種常用處理辦法

在電機傳動領(lǐng)域中，當電機快速制動或被其他力量拖動而工作在再生發(fā)電狀態(tài)時，為避免變頻器出現(xiàn)過流或過壓故障跳閘，需要采取一些措施來處理電機的再生發(fā)電能量。

1)采用制動單元和制動電阻，制動單元的工作原理是通過檢測變頻器的直流母線電壓來實現(xiàn)對再生能量的處理。當直流母線電壓超過某一設(shè)定數(shù)值(如680 V)時，打開制動單元的開關(guān)將大功率制動電阻連接到直流母線上，釋放儲存在變頻器內(nèi)濾波電容上的電能，此時電阻將電能轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉，制動能量被白白浪費，效率很低。采用這種方式時，投資較少，性能上的缺點是制動響應(yīng)時間慢，制動轉(zhuǎn)矩不足。

2)在變頻器的直流母線上并聯(lián)超級大電容，這種方式的原理如圖1所示。其原理是將電機制動時的再生能量儲存在足夠大的超級電容器中，當電機工作在電動機狀況時，又將儲存在超級大電容中的電能利用，因此，這樣的方式效率最高，基本沒有損耗，轉(zhuǎn)換效率可達99%以上(不考慮電機的發(fā)電效率)。但是這種策略存在的致命缺點是電容的容量一般在法拉級，受制造工藝和材料的限制，超級大電容體積非常龐大，價格昂貴。

3)采用共用直流母線的策略，這種方式的原理如圖2所示，但僅適合于多電機傳動系統(tǒng)。當系統(tǒng)中某臺電機處在再生發(fā)電狀態(tài)時，它所發(fā)出的電能可以被處于電動狀態(tài)的其他電機所利用。但是這種方案僅適用于多電機傳動系統(tǒng)，而且要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機容量要遠小于工作在電動狀態(tài)的電動機容量，應(yīng)用有一定的局限性。

由以上分析可見，不管采用上述何種方法處理電機的再生發(fā)電能量，都會或多或少地存在一些問題，不是耗能就是價格昂貴或者應(yīng)用范圍受限。針對以上問題，很多學者都在研究能量回饋問題。

2 TEFU系列能量回饋單元基本原理

TEFU系列能量回饋單元，通過自動檢測變頻器的直流母線電壓，采用正弦波電流跟蹤技術(shù)，將變頻器直流環(huán)節(jié)的直流電壓逆變成與電網(wǎng)電壓同頻同相的三相交流電壓，經(jīng)多重噪聲濾波后連接到交流電網(wǎng)。從而達到能量回饋的目的，并且實現(xiàn)單位功率因數(shù)回饋，回饋到電網(wǎng)的電能達到電機發(fā)電能量的97%以上，有效節(jié)省電能，其原理框圖如圖3所示。

具體的原理拓撲結(jié)構(gòu)如圖4 所示。這樣的拓撲結(jié)構(gòu)可以很容易做到控制交流側(cè)和直流側(cè)之間有功功率和無功功率的交換。所謂正弦波電流跟蹤技術(shù)是指圖4 中將電網(wǎng)電壓的正弦波信號作為回饋電流的指令信號，通過閉環(huán)控制使得回饋電流波形跟蹤電網(wǎng)電壓信號的波形，從而實現(xiàn)回饋電流的正弦特性，減小回饋電流的畸變率。

3 實驗波形

從下面的實驗波形中，可以看到該能量回饋單元可以很好地處理電機再生發(fā)電的能量，同時完成單位功率因數(shù)回饋，而且回饋電流畸變率 5%。

圖5是能量回饋單元回饋時某一相的相電壓和回饋的相電流，圖中光滑的波形是電網(wǎng)相電壓，另一波形是回饋電流，從中可以看到回饋的功率因數(shù)約等于1，回饋電流逼近正弦波。

圖6是能量回饋單元工作時回饋電流和變頻器直流母線電壓的波形(100 V/div)，從圖中可以看到，制動時變頻器直流母線電壓迅速上升，達到690 V

時，回饋單元立即工作，很好地將直流母線電壓穩(wěn)定在700 V以內(nèi)，變頻器的停車時間約在0.6 s，回饋單元響應(yīng)迅速(2 ms以內(nèi))，制動力矩大。

4 應(yīng)用

TEFU 系列能量回饋單元和變頻器一起可以應(yīng)用在位能式負載或大慣量負載和其他需要快速制動類負載的場合。下面是TEFU 系列能量該回饋單元與時代TVF 8000 系列變頻器在河北某單位B2016A型龍門刨床上的應(yīng)用情況。

B2016A 型龍門刨床是機械加工初用的大型機床，是制造重型設(shè)備不可缺少的工作母機，主要用來加工大型工件的各種平面、斜面和槽，在機加行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。由于技術(shù)的限制，五六十年代的龍門刨床工作臺的拖動采用了電機擴大機—直流發(fā)電機—直流電動機方式，造成故障率高，體積大、電耗大、控制精度差、效率低等諸多缺陷?；谝陨戏N種弊端，我們對河北某加工廠的B2016A 型龍門刨床進行了變頻改造，改造方案是采用時代TVF8000系列變頻器配套TEFU 系列能量回饋單元方案+TVF8000 系列變頻器配套制動單元和制動電阻方案。將這兩種方案進行對比，采用回饋單元的方案比采用制動單元和制動電阻的方案多節(jié)能20%，節(jié)能效果顯著。而且系統(tǒng)改造以后，運行穩(wěn)定，可靠性高，系統(tǒng)維護簡

單方便，回饋電能質(zhì)量高，刨床的加工精度高，提高了加工質(zhì)量與效率，延長了刀具的使用壽命。

5 結(jié)語

采用正弦波電流跟蹤技術(shù)研制的TEFU 系列能量回饋單元，具有自動識別電網(wǎng)相序，有過流、過熱、短路等全面保護功能，是一款綠色環(huán)保的節(jié)能產(chǎn)品。

從控制性能指標上看本產(chǎn)品還有改進之處，如可以采用空間電壓矢量控制SVPWM 調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生純凈的正弦波回饋電流等。