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适用于电机变速驱动的能量再生电路剖析

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,

  根据电压源逆变器的通用变速驱动器输入侧一般选用二极管整流,能量无法双向活动,在电动机制动期间,能量从电机侧反应至直流侧,导致直流侧电压升高,一般的处理办法是在直流侧添加由电阻和功率器材组成的制动单元,由电阻耗费掉剩余的能量[1],坚持直流侧的功率平衡。这种办法完成简略,牢靠性高,可是能量是以发热的办法被耗费掉,关于需求频频制动和大功率的运用场合,会形成能量的糟蹋,下降了变速驱动体系的功率。

  还有直流制动和电机耗能型制动的办法[2]。直流制动是在电机气隙中叠加停止的磁场,当转子线圈与此停止磁场相互作用时,线圈上感应的电压发生转子电流,与气隙磁场相互作用发生反方向的制动力矩,直流制动不需求额定的硬件投入,但在高转速时有用的制动力矩恰当低。电机内部耗费动能的制动办法也不需求制动单元,经过操控转差率,使贮存

  在电机转子上的动能简直全耗费在电机内部,而不会回馈到直流侧。这两种办法适用于非频频制动、制动容量较小的场合,也能够同制动单元一同运用以添加制动容量,可是能量也是以发热的办法被耗费掉,因此存在和运用制动电阻时相同的问题。

  因此,能量的再生制动办法受到了广泛重视,经过对电机变速驱动器的调整,使能量能够在电网和电机之间双向活动,把电机制动时直流侧剩余的能量回馈至电网,完成能量的再生运用,到达节能作用,进步变速驱动设备的功率。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,对根据能量存储设备、共用直流母线和根据电力电子变换器的再生电路进行了剖析和评论,并针对现在多电平变换器在大功率变速驱动中的运用,对多电平变换器的再生电路也进行了评论,以期为变速驱动器再生制动电路的挑选供应参阅。

  1 根据能量存储设备的再生电路

  图1是运用能量存储设备的再生电路,储能设备经过能量能够双向活动的DC/DC 变换器和直流侧相连。正常运转时,DC/DC变换器不参加作业,当电机需求制动时,其运转转入发电状况,能量经过逆变器进入直流侧,此刻发动DC/DC 变换器,使其作业在Buck 电路状况,对储能设备进行充电;贮存在储能设备中的能量也能够经过DC/DC 变换器释放到直流侧,然后完成了能量的再生运用[3]。能量存储设备能够挑选蓄电池、超级电容器等,这种办法把驱动体系制动或减速时的能量送到存储设备中保存起来,到达了节能的作用,适用于需求频频上下坡或加减速调理的电动汽车、摩托车、观光旅游电瓶车等。

  

  储能设备的容量决议了再生制动的才干,而储能设备容量大时,体积和分量都会较大,本钱也会相应进步,一起储能设备还需求保护,因此这种办法适用于再生能量较小的场合。

  2 根据共用直流母线的再生电路

  如果有多个变速驱动器经过直流母线互联,一个或多个电动机发生的再生能量就能够被其他电动机以电动的办法耗费吸收,原理图如图2 所示,图中只要两个体系经过直流母线互联,实践中能够是多个互联。当电机1和电机2都处于电动状况时,需求的能量由电网供应;当电机1处于电动状况,电机2 处于发电状况,则电机2反应的能量能够经过共用的直流

  母线由电机1耗费;因为这类体系一般包含多个变速驱动器,当有电机处于发电状况时,一般都有电机处于电动状况,因此本身即能够完成能量的再生运用。

  当对制动功用要求较高时,考虑到多个电动机都处于接连发电状况,这时需求添加惯例的制动单元以便在十分时间起作用,也能够选用再生回馈设备将直流母线上的剩余能量直接反应到电网中[4]。

  

  选用共用直流母线的再生办法,具有以下特色:共用直流母线和共用制动单元,能够大大削减整流器和制动单元的重复装备,结构简略合理,经济牢靠;共用直流母线的中心直流电压稳定,%&&&&&%并联储能容量大;各电动机作业在不同状况下,能量回馈互补,能够优化体系的动态特性;进步体系功率因数,下降电网谐波电流,进步体系用电功率。

  通用变频器共用直流母线的再生办法现在现已在工业范畴的许多机械设备上得到运用,如离心机、化纤设备、造纸机等,完成简略,不用额定添加本钱,体系故障率低,牢靠性高,能较好地完成节能。可是,这种办法只能用于必定的场合,即有多个变速驱动器一起运用的状况,一起要求处于发电状况的电机容量要比处于电动状况的电机容量小许多,才干确保体系处于比较稳定的运转状况[5]。  3 根据电力电子变换器的再生电路

  3.1 根据晶闸管的再生电路

  运用晶闸管构成逆变器,能够把电机制动时直流侧剩余的能量回馈到电网,完成能量的再生运用,图3是根据晶闸管的再生电路。图3(a)是一种惯例的办法,运用晶闸管桥与二极管构成的整流桥反向并联,要完成晶闸管桥能量回馈时的天然换相,有必要使电网的峰值电压超越直流侧电压,而这关于前端运用二极管整流的通用变速驱动器来说,比较困难,因为正常运转时,直流侧电压现已与电网的峰值电压比较挨近,当制动时直流侧的电压只会更高。为处理这一问题,能够选用图3(b)和(c)的电路结构,图3(b)中,晶闸管桥经过变压器与电网侧衔接,从晶闸管桥的视点看,等于升高了电网电压,扩展了换相区域;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,经过恰当下降直流侧电压的设定值,确保能量再生时逆变晶闸管桥有满意的换相区域[6]。

  

  3.2 根据晶闸管与自关断器材混合运用的再生电路

  为了战胜单纯运用晶闸管时,再生电路无法自关断、有必要依托线电压换相的缺点,能够经过添加自关断器材如IGBT等,与晶闸管桥合作运用,确保其牢靠换相,图4是晶闸管与自关断器材混合运用的再生电路。图4(a)在输入晶闸管桥和直流侧之间添加了反向电路,正常运转时,IGBT 不作业,能量经过二极管由整流器流入直流侧,当需求再生制动时,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]。

  图4(b)选用晶闸管桥与单个IGBT 构成再生电路,经过GBT操控晶闸管桥的作业区间,使能量再生时晶闸管逆变器能够作业在网侧线电压最大的区域,这种办法结构和操控简略,不需求添加无源器材如网侧电感或变压器等即可完成牢靠换相,并且能必定程度地进步输入侧功率因数[7]。图4(c)是在晶闸管逆变桥的两头各添加一个自关断器材,操控办法与图4(b)相似,可是愈加灵敏;图4(d)的整流桥选用三相半控桥,晶闸管逆变桥输入端并联了续流二极管,这两个电路能够认为是图4(b)的变形,可是牢靠性要更高。图4(d)中,在直流侧能量经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况,经过在晶闸管桥两边添加续流二极管,使能量再生结束时,逆变晶闸管桥中的电流能够经过本身续流,而不用像图4(b)那样,需求经过三相不控整流桥的二极管续流。

  3.3 根据自关断器材的再生电路

  前面两种运用晶闸管的再生电路,向电网回馈的能量中一般含有较大的谐波成分,而选用自关断器材的再生电路能够较好地处理这个问题,图5便是根据自关断器材的再生电路。图5(a)的双PWM变换器现在很常用,一般根据IGBT等自关断器材,能够方便地完成能量的双向活动,正常运转时,能量由电网流向电机,PWM 整流器坚持直流侧电压稳定,完成输入侧的功率因数校对(PFC)功用,需求再生制动时,能量由电机侧流向电网,确保回馈至电网的电流无谐波。这种办法功用强大,操控灵敏,但运用的全控型功率器材较多,需求输入侧滤波电感,操控也较杂乱,因此本钱较高。

  图5(b)是在通用变速驱动器电路基础上添加了PWM逆变器作为能量再生电路,逆变器的输入侧经过阻隔二极管和直流侧衔接,输出侧经过电感和变速驱动器的输入侧相连。当电机电动运转时,再生

  PWM逆变器不作业,当电机处于再生发电状况时,能量由电机侧回馈至直流侧,导致直流母线电压升高,当直流母线电压超越电网线电压峰值时,不控整流桥因为接受反压而关断,当直流母线电压持续升高并超越再生逆变器的发动电压时,逆变器开端作业,将能量从直流侧回馈电网,当直流母线电压下降到设定的封闭电压时,封闭再生逆变器[8]。和图5(a)电路相同,这种办法也能够确保回馈至电网的电能质量,确保电动机的准确制动,经过与通用变速驱动器合作运用拓宽了运用规模,和双PWM 变换器比较,具有必定的本钱优势。

  

  

  

  4 多电平变速驱动器的再生电路

为满意电机驱动对高压、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重视,变速驱动器选用多电平办法后,能够在惯例功率器材耐压基础上,完成高电压等级,取得更多级(台阶)的输出电压,使波形更接

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