基于適用于電機(jī)變速驅(qū)動的能量再生電路設(shè)計(jì)與分析

利用晶閘管構(gòu)成逆變器，可以把電機(jī)制動時(shí)直流側(cè)多余的能量回饋到電網(wǎng)，實(shí)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(shí)現(xiàn)晶閘管橋能量回饋時(shí)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?yàn)檎＿\(yùn)行時(shí)，直流側(cè)電壓已經(jīng)與電網(wǎng)的峰值電壓比較接近，當(dāng)制動時(shí)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(kuò)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(dāng)降低直流側(cè)電壓的設(shè)定值，保證能量再生時(shí)逆變晶閘管橋有足夠的換相區(qū)域。

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(shí)，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(yùn)行時(shí)，IGBT 不工作，能量通過二極管由整流器流入直流側(cè)，當(dāng)需要再生制動時(shí)，使IGBT 導(dǎo)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)槟孀儤颉?/p>

圖4(b)采用晶閘管橋與單個(gè)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(shí)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(shí)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)。圖4(c)是在晶閘管逆變橋的兩端各增加一個(gè)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(gè)電路可以認(rèn)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(shí)，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(gè)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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，正常運(yùn)行時(shí)，能量由電網(wǎng)流向電機(jī)，PWM 整流器保持直流側(cè)電壓恒定，實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)的功率因數(shù)校正(PFC)功能，需要再生制動時(shí)，能量由電機(jī)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(qiáng)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(fù)雜，因而成本較高。

圖5(b)是在通用變速驅(qū)動器電路基礎(chǔ)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(dāng)電機(jī)電動運(yùn)行時(shí)，再生PWM逆變器不工作，當(dāng)電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，能量由電機(jī)側(cè)回饋至直流側(cè)，導(dǎo)致直流母線電壓升高，當(dāng)直流母線電壓超過電網(wǎng)線電壓峰值時(shí)，不控整流橋由于承受反壓而關(guān)斷，當(dāng)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(shí)，逆變器開始工作，將能量從直流側(cè)回饋電網(wǎng)，當(dāng)直流母線電壓下降到設(shè)定的關(guān)閉電壓時(shí)，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，保證電機(jī)的精確制動，通過與通用變速驅(qū)動器配合使用拓寬了應(yīng)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(jī)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?fù)涞玫搅藦V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(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級(臺階)的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。對于大功率電機(jī)驅(qū)動設(shè)備，能量再生利用顯得尤為重要，可以顯著實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，提高經(jīng)濟(jì)效益。

多電平變換器具體電路拓?fù)淇煞譃? 類：二極管箝位型、雙向開關(guān)互聯(lián)型、飛跨電容型、兩電平變流器組合型、單相H 橋級聯(lián)型等。多單元兩電平變流器組合型拓?fù)湟驯蛔C明是高壓變頻器的有效選擇，可以提高交流輸入側(cè)和電機(jī)側(cè)的電能質(zhì)量，但是輸入側(cè)通常采用二極管整流，缺乏再生