基于適用于電機變速驅(qū)動的能量再生電路設(shè)計與分析

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，在電機制動期間，能量從電機側(cè)反饋至直流側(cè)，導(dǎo)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，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(yīng)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。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(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)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(shè)備的再生電路

圖1是使用能量存儲設(shè)備的再生電路，儲能設(shè)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(shè)備進行充電;貯存在儲能設(shè)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。能量存儲設(shè)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(shè)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(shè)備的容量決定了再生制動的能力，而儲能設(shè)備容量大時，體積和重量都會較大，成本也會相應(yīng)提高，同時儲能設(shè)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。

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(fù)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(lǐng)域的很多機械設(shè)備上得到應(yīng)用，如離心機、化纖設(shè)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)。

3 基于電力電子變換器的再生電路