適用于電機變速驅動的能量再生電路分析

　　基于電壓源逆變器的通用變速驅動器輸入側一般采用二極管整流，能量無法雙向流動，在電動機制動期間，能量從電機側反饋至直流側，導致直流側電壓升高，通常的解決方法是在直流側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［1］，保持直流側的功率平衡。這種方法實現簡單，可靠性高，但是能量是以發熱的形式被消耗掉，對于需要頻繁制動和大功率的應用場合，會造成能量的浪費，降低了變速驅動系統的效率。

　　還有直流制動和電機耗能型制動的方法［2］。直流制動是在電機氣隙中疊加靜止的磁場，當轉子線圈與此靜止磁場相互作用時，線圈上感應的電壓產生轉子電流，與氣隙磁場相互作用產生反方向的制動力矩，直流制動不需要額外的硬件投入，但在高轉速時有效的制動力矩相當低。電機內部消耗動能的制動方法也不需要制動單元，通過控制轉差率，使儲存

　　在電機轉子上的動能幾乎全消耗在電機內部，而不會回饋到直流側。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注，通過對電機變速驅動器的調整，使能量可以在電網和電機之間雙向流動，把電機制動時直流側多余的能量回饋至電網，實現能量的再生利用，達到節能效果，提高變速驅動設備的效率。本文對國內外適用于電機變速驅動器的再生電路進行了總結，對基于能量存儲設備、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動中的應用，對多電平變換器的再生電路也進行了討論，以期為變速驅動器再生制動電路的選擇提供參考。

　　1 基于能量存儲設備的再生電路

　　圖1是使用能量存儲設備的再生電路，儲能設備通過能量可以雙向流動的DC/DC 變換器和直流側相連。正常運行時，DC/DC變換器不參與工作，當電機需要制動時，其運行轉入發電狀態，能量通過逆變器進入直流側，此時啟動DC/DC 變換器，使其工作在Buck 電路狀態，對儲能設備進行充電；貯存在儲能設備中的能量也可以通過DC/DC 變換器釋放到直流側，從而實現了能量的再生利用［3］。能量存儲設備可以選擇蓄電池、超級電容器等，這種方式把驅動系統制動或減速時的能量送到存儲設備中保存起來，達到了節能的效果，適用于需要頻繁上下坡或加減速調節的電動汽車、摩托車、觀光旅游電瓶車等。

　　儲能設備的容量決定了再生制動的能力，而儲能設備容量大時，體積和重量都會較大，成本也會相應提高，同時儲能設備還需要維護，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

　　如果有多個變速驅動器通過直流母線互聯，一個或多個電動機產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，圖中只有兩個系統通過直流母線互聯，實際中可以是多個互聯。當電機1和電機2都處于電動狀態時，需要的能量由電網供給；當電機1處于電動狀態，電機2 處于發電狀態，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；因為這類系統通常包括多個變速驅動器，當有電機處于發電狀態時，一般都有電機處于電動狀態，因此自身即可以實現能量的再生利用。

　　當對制動性能要求較高時，考慮到多個電動機都處于連續發電狀態，這時需要增加常規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中［4］。

　　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配置，結構簡單合理，經濟可靠；共用直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯儲能容量大；各電動機工作在不同狀態下，能量回饋互補，可以優化系統的動態特性；提高系統功率因數，降低電網諧波電流，提高系統用電效率。

　　通用變頻器共用直流母線的再生方式目前已經在工業領域的很多機械設備上得到應用，如離心機、化纖設備、造紙機等，實現容易，不用額外增加成本，系統故障率低，可靠性高，能較好地實現節能。但是，這種方式只能用于一定的場合，即有多個變速驅動器共同使用的情況，同時要求處于發電狀態的電機容量要比處于電動狀態的電機容量小很多，才能保證系統處于比較穩定的運行狀態［5］。　　3 基于電力電子變換器的再生電路

　　3.1 基于晶閘管的再生電路

　　利用晶閘管構成逆變器，可以把電機制動時直流側多余的能量回饋到電網，實現能量的再生利用，圖3是基于晶閘管的再生電路。圖3（a）是一種常規的方法，使用晶閘管橋與二極管構成的整流橋反向并聯，要實現晶閘管橋能量回饋時的自然換相，必須使電網的峰值電壓超過直流側電壓，而這對于前端使用二極管整流的通用變速驅動器來說，比較困難，因為正常運行時，直流側電壓已經與電網的峰值電壓比較接近，當制動時直流側的電壓只會更高。為解決這一問題，可以采用圖3（b）和（c）的電路結構，圖3（b）中，晶閘管橋通過變壓器與電網側連接，從晶閘管橋的角度看，等于升高了電網電壓，擴大了換相區域；圖3（c）中，將二極管整流器調整為晶閘管整流橋，使直流側電壓可控，通過適當降低直流側電壓的設定值，保證能量再生時逆變晶閘管橋有足夠的換相區域［6］。

　　3.2 基于晶閘管與自關斷器件混合使用的再生電路

　　為了克服單純使用晶閘管時，再生電路無法自關斷、必須依靠線電壓換相的缺陷，可以通過增加自關斷器件如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之間增加了反向電路，正常運行時，IGBT 不工作，能量通過二極管由整流器流入直流側，當需要再生制動時，使IGBT 導通，使加在晶閘管橋上的直流側電壓反向，晶閘管橋由整流橋轉變為逆變橋［6］。

　　圖4（b）采用晶閘管橋與單個IGBT 構成再生電路，通過GBT控制晶閘管橋的工作區間，使能量再生時晶閘管逆變器可以工作在網側線電壓最大的區域，這種方式結構和控制簡單，不需要增加無源器件如網側電感或變壓器等即可實現可靠換相，并且能一定程度地提高輸入側功率因數［7］。圖4（c）是在晶閘管逆變橋的兩端各增加一個自關斷器件，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了續流二極管，這兩個電路可以認為是圖4（b）的變形，但是可靠性要更高。圖4（d）中，在直流側能量通過逆變晶閘管橋回饋至電網期間，三相半控橋的晶閘管處于關斷狀態，通過在晶閘管橋兩側增加續流二極管，使能量再生結束時，逆變晶閘管橋中的電流可以通過自身續流，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流。

　　3.3 基于自關斷器件的再生電路

　　前面兩種使用晶閘管的再生電路，向電網回饋的能量中通常含有較大的諧波成分，而采用自關斷器件的再生電路可以較好地解決這個問題，圖5即是基于自關斷器件的再生電路。圖5（a）的雙PWM變換器目前很常用，通常基于IGBT等自關斷器件，能夠方便地實現能量的雙向流動，正常運行時，能量由電網流向電機，PWM 整流器保持直流側電壓恒定，實現輸入側的功率因數校正（PFC）功能，需要再生制動時，能量由電機側流向電網，保證回饋至電網的電流無諧波。這種方式功能強大，控制靈活，但使用的全控型功率器件較多，需要輸入側濾波電感，控制也較復雜，因而成本較高。

　　圖5（b）是在通用變速驅動器電路基礎上增加了PWM逆變器作為能量再生電路，逆變器的輸入側通過隔離二極管和直流側連接，輸出側通過電感和變速驅動器的輸入側相連。當電機電動運行時，再生

　　PWM逆變器不工作，當電機處于再生發電狀態時，能量由電機側回饋至直流側，導致直流母線電壓升高，當直流母線電壓超過電網線電壓峰值時，不控整流橋由于承受反壓而關斷，當直流母線電壓繼續升高并超過再生逆變器的啟動電壓時，逆變器開始工作，將能量從直流側回饋電網，當直流母線電壓下降到設定的關閉電壓時，關閉再生逆變器［8］。和圖5（a）電路一樣，這種方式也可以保證回饋至電網的電能質量，保證電動機的精確制動，通過與通用變速驅動器配合使用拓寬了應用范圍，和雙PWM 變換器比較，具有一定的成本優勢。

　　4 多電平變速驅動器的再生電路

為滿足電機驅動對高壓、大功率和高品質變速驅動器的需求，多電平變換器拓撲得到了廣泛關注，變速驅動器采用多電平方式后，可以在常規功率器件耐壓基礎上，實現高電壓等級，獲得更多級（臺階）的輸出電壓，使波形更接