The Current Situations and Development Trend for Energy Feedback
 Control Technology
 of Frequency Converter 
山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 張承慧 杜春水 馬永慶 程全征 馬運東 
Zhang Chenghui Du Chunshui Ma Yongqing Cheng Quanzheng Ma Yundong 
摘 要:通用變頻器能量回饋PWM控制系統(tǒng)是一種采用有源逆變方式把電動機減速制動時產(chǎn)生的再生能量回饋電網(wǎng)的裝置。它可以克服通用變頻器傳統(tǒng)制動電阻方式低效、難以滿足快速制動和頻繁正反轉(zhuǎn)的不足，使通用變頻器可在四象限運行。本文首先回顧了變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀。設(shè)計了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統(tǒng)，并詳細介紹了主電路、控制電路、驅(qū)動和保護電路的設(shè)計思路。zui后指出了能量回饋技術(shù)的發(fā)展趨勢。 
關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速技術(shù) 能量回饋 再生制動 PWM控制 智能功率模塊 檢測技術(shù) 
Abstract:General inverter energy feedback control system is a kind 
of device which feeds the 
regenerative energy produced 
by motor when decelerates and brakes back to the AC pow-er supply. It can overcome the disadvantages of the traditional
 method in low efficiency because 
using braking resistance. 
And it is easy to meet the need of braking rapidly and the need
 of running between forward and 
reverse frequently. 
Therefore inverters can run in four quadrants.The paper firstly
 reviews the development history 
and current situations 
of inverter energy feedback control technology, then, the paper
 gives a kind of new type control 
system based by Inligent
 Power Module (IPM), and introduces the design of the main circuit,
 control circuit, driving and 
protect circuit in detail, points
 out the development trend of inverter energy feedback control 
technology at last. 
Keywords: Frequency Converter Energy feedback Regenerative braking

 PWM control
 Inligent Power Module Detecting 

technology 
[中圖分類號] TM921 [文獻標(biāo)識碼] A 文章編號 1561-0330(2002)03-0004-06 


1 引言 
　　變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電工、信息與控制等多個學(xué)科領(lǐng)域。采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟效益[1]。但是，在對調(diào)速節(jié)能的一片贊譽中，人們往往忽視了進一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提率的問題。事實上，從變頻器內(nèi)部研究和設(shè)計的方面看，應(yīng)用或?qū)で竽囊环N控制策略可以使變頻驅(qū)動電機的損耗zui小而效率zui高？怎樣才能使生產(chǎn)機械儲存的能量及時地回饋到電網(wǎng)？這正是提率的兩個重要途徑。*個環(huán)節(jié)是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)"按需供能"，即在滿足生產(chǎn)機械速度、轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機械中儲存的動能或勢能轉(zhuǎn)換而來的電能及時地、地"回收"到電網(wǎng)，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，一方面是節(jié)能降耗，另一方面是實現(xiàn)電動機的精密制動，提高電動機的動態(tài)性能。本文討論的就是變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制的第二個環(huán)節(jié)－變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)。在能源資源日趨緊張的今天，這項研究無疑具有十分重要的現(xiàn)實意義。 

2 通用變頻器在應(yīng)用中存在的問題 
　　通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，zui后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構(gòu)張力系統(tǒng)及機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當(dāng)電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍[2]。 

3 國內(nèi)外能量回饋技術(shù)研究現(xiàn)狀 
　　為了解決電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國西門子公司已經(jīng)推出了電機四象限運行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中[3]。同時，已見到國外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器等的研制報道[4-9]。普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對電網(wǎng)的要求很高，不適合我國的國情。國內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動方式[10-13]，即通過內(nèi)置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現(xiàn)電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴(yán)重缺點[14-18]: 
(1) 浪費能量，降低了系統(tǒng)的效率。(2) 電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作。(3) 簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動力矩大，調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能好)。 
上述缺點決定了能耗制動方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統(tǒng)。國內(nèi)關(guān)于能量回饋控制的研究正在進行，但基本上都處于實驗階段，目前已經(jīng)見到有關(guān)的文獻報道[14-18]，但尚未見這方面產(chǎn)品的報道。 

4 能量回饋系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu) 
　　按照所選用的功率開關(guān)器件的不同，能量回饋系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)可分為半控器件型結(jié)構(gòu)和全控器件型結(jié)構(gòu)兩大類。 
4.1 半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu) 
　　由于晶閘管的耐壓、耐流、耐浪涌沖擊能力是全控型功率器件所*的，加之驅(qū)動、保護電路簡單，價格低廉等原因，采用晶閘管構(gòu)成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現(xiàn)階段也仍有一定的實際意義。下面將要介紹幾種基于晶閘管的有源逆變電路的結(jié)構(gòu)、基本原理以及優(yōu)、缺點的對比。 
(1) 可控整流-可控有源逆變型 
　　該方式是人們早期研究的一種方案。基本思路是在可控整流橋的基礎(chǔ)上再反并聯(lián)一套有源逆變裝置，當(dāng)電動機處于電動狀態(tài)時，整流橋T’1~T’6工作;而當(dāng)電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，隨著直流回路電壓的升高，三相可控整流器被封鎖，三相可控有源逆變器T1~T6工作，將能量回饋到電網(wǎng)中，同時該方式有效的阻斷了環(huán)流的發(fā)生。其主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。 
*，在晶閘管逆變電路中，為保證逆變器換流的可靠性，對逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時為滿足有源逆變的條件，避免直流環(huán)流，還應(yīng)使變頻器的zui高直流側(cè)電壓Udmax小于逆變電壓Uβmin，即: 
(1) 
　　式中:E為電源相電壓有效值， △Um為允許的zui高泵升電壓。由(1)式可知，αmin應(yīng)大于βmin。于是帶來了兩個問題: 
1) 較大的αmin將引起波形畸變干擾電網(wǎng)，并降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。 
2) 直流回路電壓降低將使常規(guī)380V交流電機得不到充分利用。 
為此人們又提出了一種可行的解決辦法，就是將有源逆變器通過升壓變壓器與電網(wǎng)相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數(shù)都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產(chǎn)生的直流環(huán)流，同時為了限制交流環(huán)流以及滿足有源逆變條件在電路中設(shè)置了電抗器，但它又有如下缺點: 
1) 增加的變壓器和環(huán)流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。 
2) 因只要Uα< Uβ就會啟動逆變裝置，使逆變橋頻繁工作，損耗增加;由于逆變電流較小，會使電流斷續(xù)而造成電網(wǎng)電流波形畸變，產(chǎn)生高次諧波，使功率因數(shù)降低。 
雖然可以采用電壓、電流滯環(huán)控制方法來克服這一缺陷，但所有的控制均基于對逆變角β的控制，這就大大增加了β角的控制難度。特別是在發(fā)生誤觸發(fā)時，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產(chǎn)生的短路電流。 
(2) 可控整流/有源逆變復(fù)用型 
　　Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓撲結(jié)構(gòu)[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實現(xiàn)有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。 
1) 多脈寬調(diào)制(MPWM)方式 
主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用一個電抗器和一個大功率晶體管作為能量暫存環(huán)節(jié)。α<900時，晶閘管S1~S6工作在整流狀態(tài)，Tr和Th不工作，電抗器L‘起續(xù)流作用;逆變時，α>900(β<900)，一旦交流線電壓降為零，先開通大功率晶體管Tr，將能量暫時存在電感L中，當(dāng)電流達到Tr的整定值時，關(guān)閉Tr，同時開通Th，由于電感L的續(xù)流作用，能量就通過晶閘管T?~T? 流回電網(wǎng)，周而復(fù)始，就可以將再生能量回饋電網(wǎng)。二極管D的作用是防止直流回路的短路電流通過Th流入電抗器L中。 
這種方案的優(yōu)點是巧妙地利用一個整流橋同時實現(xiàn)整流和有源逆變兩種功能，結(jié)構(gòu)簡單，體積較小。缺點是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時能量回饋過程間斷進行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數(shù)低。 
為減少MPWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進一步改善電路的結(jié)構(gòu)，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。 
2) 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式 
　　該方式控制電路僅采用一只晶體管來實現(xiàn)能量的回饋控制，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協(xié)調(diào)配合，同時該方案的開關(guān)損耗較大，能量回饋過程是間斷進行的。為了獲得連續(xù)的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。 
3) 可調(diào)的庫克(MCC)方式 
　　該方案是在MPWM方式的基礎(chǔ)上增加一只大型電容器，通過控制電容器的充放電來保證能量回饋過程的連續(xù)，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量儲存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網(wǎng)中。 
該方案的優(yōu)點是可以連續(xù)的回饋再生能量，保證了電流的連續(xù)性，從而使回饋的功率較高，開關(guān)損耗較小，但由于引人了大型電容器，使裝置體積增大，成本提高，同時該電路輸出電流波形包含較大的低次奇次諧波成分，易造成負載轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲較大。 
(3) 滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式 
　　上述幾種方案雖然都能實現(xiàn)能量回饋控制，但其缺點是顯而易見的，同時由于晶閘管存在強迫換流關(guān)斷的問題，導(dǎo)致對直流側(cè)電壓有限制，若直流側(cè)電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關(guān)斷失敗而導(dǎo)致逆變顛覆，這就限制了它們的應(yīng)用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置[22]。其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。  主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母線換相器BC、電流調(diào)節(jié)器CR。其基本思想是當(dāng)直流母線電壓達到一定值時啟動該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網(wǎng)中。為了避免整流與有源逆變在一點來回切換，回饋電流采用滯環(huán)控制方式。 
該電路的工作原理如下:當(dāng)直流母線電壓達到一定值(如740V)時開通Q1，將能量回饋到電網(wǎng)，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。隨著回饋電流的增加，當(dāng)電流傳感器檢測到電流超過設(shè)定值時關(guān)斷Q1，此時回饋電流開始下降，當(dāng)電流降到下限設(shè)定值時再開通Q1，如此循環(huán)往復(fù)。母線換相器BC的作用有二:一是為晶閘管的換相提供零電壓鉗位，以保證它們可靠地關(guān)斷;二是在緊急狀態(tài)時為能耗制動提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時都觸發(fā)導(dǎo)通一次，即每600相位角導(dǎo)通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地換相，并可以省去強迫換流電路[22]。 
該方案采用電流滯環(huán)控制回饋電流，為一大類負載提供了一種切實可行的拓撲方案，具有一定的通用性。其特點如下: 
1) 可廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合，克服了晶閘管強迫換相對直流側(cè)電壓限制的缺點?！　?) 這種結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，同時它控制方便，不需要輔助關(guān)斷電路，是一種經(jīng)濟可行的方式。3) 通過在回路中增加電阻R1和開關(guān)Q2，提供了能耗制動的可選方式，可以實現(xiàn)緊急制動。 
基于晶閘管的再生能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)和控制簡單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強，在大容量的逆變裝置中具有一定的優(yōu)勢。但是其缺點是顯而易見的:它輸入功率因數(shù)低;輸入側(cè)有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動態(tài)響應(yīng)慢。故一般用于較大容量和對系統(tǒng)動態(tài)性能和快速性要求不太高的場合。 
4.2 全控器件型結(jié)構(gòu) 
　　全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關(guān)頻率高、集成度高和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關(guān)器件可以提高系統(tǒng)的效率，抑制諧波和機械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的重點。目前國內(nèi)外流行的控制方式僅對電流回路進行滯環(huán)控制[14-18]，雖然控制方式和控制電路比較簡單，但系統(tǒng)的主要控制對象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。 
作者設(shè)計了一種全新的控制方案[25-28]，該方案采用PWM控制方式有效地克服了傳統(tǒng)控制方式的缺陷，提高了系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)性能。如圖5所示。 
回饋電流大小的控制是整個系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)創(chuàng)新之處是擯棄了傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方式，采用了PID技術(shù)和PWM控制技術(shù)，利用電壓型PWM控制芯片SG352作為主控芯片進行閉環(huán)控制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點，克服了采用滯環(huán)控制時回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不的缺限，提高了系統(tǒng)的控制精度、動態(tài)性能和抗干擾性能。 
　　控制系統(tǒng)包括同步信號獲取電路、電壓檢測與控制電路、電流檢測與控制電路、以及故障檢測、顯示與保護電路。其中，同步信號電路是有源逆變的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，回饋電流的檢測與控制則是系統(tǒng)的控制核心和難點。 
　　同步信號獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實驗表明，該方法線路簡單，精度高，可以很好地滿足控制系統(tǒng)的要求。 
　　電壓檢測和控制電路采用高速高線性度光電耦合器TLP559將直流母線電壓線性地變?yōu)槿蹼妷盒盘枺撔盘柦?jīng)變換后為回饋電流提供控制信號，以決定是否開啟逆變裝置進行能量回饋。 
　　電流檢測及控制電路使回饋系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。能量回饋過程中，首先要保證回饋電流的大小要滿足回饋功率的要求。同時回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統(tǒng)的控制性能，因此對電流的實時檢測與控制是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對回饋電流進行檢測，霍爾電流傳感器的特點是體積小、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度和線性度高，*可以勝任電路的要求;采用PID調(diào)節(jié)器和SG352型PWM控制芯片進行脈寬調(diào)制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點，使系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地控制回饋能量。實驗結(jié)果表明電流控制*符合設(shè)計要求。 
　　系統(tǒng)提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護和IPM故障等齊全保護措施，以保證系統(tǒng)和電路的正常工作，減小故障情況下的損失。 
　　采用新型功率器件-智能功率模塊IPM是本系統(tǒng)的又一特色。IPM內(nèi)部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路，它提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，是值得推廣的產(chǎn)品開發(fā)途徑。 

5 能量回饋技術(shù)的新發(fā)展--雙PWM控制技術(shù)[23] 
　　交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側(cè)一般是經(jīng)三相不控橋式整流器向中間直流環(huán)節(jié)的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動機上。雖然這樣的電路成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但是由于采用三相橋式不控整流器使得功率因數(shù)低、網(wǎng)測諧波污染以及無法實現(xiàn)能量的再生利用等。消除對電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實現(xiàn)電機的四象限運行以構(gòu)成變頻技術(shù)不可回避的問題。為此，PWM整流技術(shù)的研究，新型單位功率因數(shù)變流器的開發(fā)，在國內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的制動方法是在中間直流環(huán)節(jié)電容兩端并聯(lián)電阻消耗能量，這既浪費了能量，又不可靠，而且制動慢;或者設(shè)置一套三相有源逆變系統(tǒng)，但增加了變壓器，加大了回饋裝置的體積，增加了成本而且逆變電流波形畸變嚴(yán)重，電網(wǎng)污染重，功率因數(shù)低。而整流電路中采用自關(guān)斷器件進行PWM控制，可是電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波并且功率因數(shù)達到1，可以*解決對電網(wǎng)的污染問題。 
　　由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實現(xiàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)約等于1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，能量雙向流動，方便電機四象限運行，同時對于各種調(diào)速場合，使電機很快達到速度要求，動態(tài)響應(yīng)時間短。圖3位變頻器雙PWM控制結(jié)構(gòu)，其中ia＊、ib＊、ic＊是與電網(wǎng)電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號，經(jīng)PWM電流控制器與實際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關(guān)信號控制整流器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷，是實際電流跟隨ia＊、ib＊、ic＊、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約等于1。雙PWM控制技術(shù)的工作原理:①當(dāng)電機處于拖動狀態(tài)時，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下降能量傳送到電機;②當(dāng)電機處于減速運行狀態(tài)時，由于負載慣性作用進入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關(guān)元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。 
　　雙PWM控制技術(shù)打破了過去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，并且實現(xiàn)了電機的四象限運行，這給變頻器技術(shù)增添了新的生機，形成了高質(zhì)量能量回饋技術(shù)的發(fā)展動態(tài)。 

6 參考文獻 
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