變頻器回饋製動電路原理及算法

1 引言
　　目前，交流變頻調速係統廣泛采用簡單的能耗製動，存在浪費電能、電阻發熱嚴重，快速製動性差等缺點。而在異步電動機頻繁製動時，采用回饋製動是一種非常有效的節能方法，並且避免在製動時對環境及設備的破壞。在電力機車、采油等行業中取得令人滿意的效果。在新型電力電子器件不斷出現、性價比不斷提高，人們節能降耗意識提高的的情況下有著廣泛的應用前景。
　　能量回饋製動裝置特別適用於電動機功率較大，如大於等於100kw以上，設備的轉動慣量gd2較大，屬反複短時連續工作製，從高速到低速的減速降幅較大，製動時間又短，又要強力製動的場合。為了提高節電效果，減少製動過程的能量損耗，將減速能量回收反饋到電網去，達到節能功效時，它也是必須采用的。
2 回饋製動原理
　　在變頻調速係統中，電動機的降速和停車是通過逐漸減小頻率來實現的，在頻率減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由於機械慣性的原因，電動機的轉子轉速未變，它的轉速變化是有一定時間滯後的，這時會出現實際轉速大於給定轉速，從而產生電動機反電動勢e高於變頻器直流端電壓u的情況,即e>u。這時電動機就變成發電機，非但不要電網供電，反而能向電網送電，這樣既有良好的製動效果，又將動能轉變化為電能，向電網送電而達到回收能量的效果，一舉兩得。當然必須有一套能量回饋裝置單元，進行自動的控製，才能做到，其原理框圖如圖1所示。另外，能量回饋電路還應包括交流、直流電抗器、阻容吸收器、電子開關器等。

圖1 變頻器回饋製動電路原理框圖
　　眾所周知，一般通用變頻器其橋式整流電路是三相不可控的，因此無法實現直流回路與電源間雙向能量傳遞，解決這個問題的最有效方法是采用有源逆變技術，整流器部分采用可逆整流器，又叫網側變流器。通過對網側變流器的控製將再生電能逆變為與電網同頻率電網同頻率、同相位的交流電回饋電網，從而實現製動。以前有源逆變單元主要采用晶閘管電路，這種電路隻有在不易發生故障的穩定電網電壓下（電網電壓波動不大於10%），變流器才能安全地進行回饋運行。這種電路隻有在不易發生故障的穩定電網電壓下（電網電壓波動不大於10%），變流器才能安全地進行回饋運行。因為在發電製動運行時，電網電壓製動時間大於2ms，則可能發生換相失敗，損壞器件。另外，(ob体育竞彩 //www.gdzxks.com)本方式在深控時，功率因數低、諧波含量高、換相重疊將引起電網電壓波形畸變。同時控製複雜，成本較高。隨著全控型器件的實用化，人們又研究出斬控式可逆變流器，采用pwm控製方式。這樣網側變流器的結構與逆變器的結構完全相同，都采用pwm控製方式。
　　從以上分析可知，要真正實現變頻器的能量回饋製動，關鍵是對網側變流器的控製。下文重點闡述網側變流器采用全控器件、pwm控製方式的控製算法。
3 控製算法
　　網側變流器的控製算法通常采用如圖2所示的矢量控製算法，圖2中vdc、v*dc、△vdc分別表示直流母線電壓的測量值、給定值和控製誤差；id、i*d、△id分別表示網側逆變器d軸的測量值、給定值和控製誤差； iq、i*q、△iq分別表示網側變流器q軸電流的測量值、給定值和控製誤差；△v*d、v*d、v*q分別表示網側變流器的d軸輸出電壓偏差給定值、d軸輸出電壓給定值和q軸輸出電壓給定值；eabc、v*abc、iabc分別表示電網電勢、網側變流器輸出電壓的瞬時給定值和輸出電流的三相瞬時值；e、φ分別表示電網電勢的幅值和相位。

圖2 能量回饋變頻器網側變流器矢量控製算法框圖
　　矢量控製算法將實測的直流母線電壓與給定值之差，通過pi調節器，得到d軸電流的給定值；然後根據測量到的電網電壓的相位，對實測的網側變流器輸出電流進行同步坐標變換，得到d軸電流和q軸電流的實測值，對其進行pi調節後將d軸量與電網電壓幅值相加，得到d軸電壓和q軸電壓的給定值，經過同步坐標反變換後輸出。
這種算法的優點是控製精度高，動態響應好；缺點是控製算法中坐標變換較多，算法較複雜，對控製處理器計算能力要求較高。
控製係統處理器計算能力較低的設備也可以采用簡化的電流控製算法，如圖3所示。

圖3 能量回饋變頻器網側變流器的電流控製算法框圖
　　從圖3可知，它采用了電流追蹤型pwm整流器組成方式。這種簡化的算法直接將d軸電流給定值與用測量到的電網電壓相位查表得到的三相正弦基準值相乘，得到三相輸出電流的給定值，然後進行簡單的pi調節得到三相輸出電壓的給定值並輸出。由於該算法略去了坐標變換的計算，因而對控製處理器的計算能力要求較低。另一方麵，由於pi調節器本身的特性決定了其對交流量的控製存在一定的穩態誤差，因此這種算法的功率因數低於標準矢量控製算法。在動態過程中，直流母線電壓的波動相對較大，快速動態過程中發生直流母線壓等故障的概率相對較高。
4 回饋製動特點
　　嚴格地講，不能簡單地把網側變流器稱為“整流器”，因為它既可以作為整流器工作，又可以作為逆變器工作。由於采用了自關斷器件，通過恰當的pwm模式，可對交流電流的大小和相位進行控製，使輸入電流接近正弦波，並使係統的功率因數總是接近於1。當電動機減速製動從逆變器返回的再生功率使直流電壓升高時，可以使交流輸入電流的相位與電源電壓相位相反，以實現再生運行，並將再生功率回饋到交流電網去，係統仍能將直流電壓保持在給定值上。這種情況下，網側變流器工作在有源逆變狀態。這樣就容易實現功率的雙向流動，且具有很快的動態響應速度，同時這樣的拓撲結構使得係統能夠完全控製交流側和直流側之間的無功和有功功率的交換，且效率可高達97%，經濟效益較大，熱損耗為能耗製動的1%，同時不汙染電網，功率因數約等於1，具有綠色環保的特點。所以，回饋製動可廣泛應用於pwm交流傳動的能量回饋製動場合的節能運行，特別適用於需要頻繁製動的場合，電動機的功率也較大，這時節電效果明顯，按運行的工況條件不同，平均約有20%的省電效果。實現回饋控製的唯一不足是控製係統結構複雜。