工频回馈在变频器制动中的研究与应用

许连丙

（山西天地矿山技术装备有限公司，山西 太原030016）

一个标准变频器的拓扑结构一般由二极管组成的六脉波整流单元和由IGBT组成的逆变单元组成。在这个拓扑结构中由IGBT组成的逆变单元和电机可以近似的看成是一个独立的电流源，这个电流源有着两种工作状态：

（1）当电机处于电动状态时，电流经过二极管整流单元从电网流入直流母线，再从直流母线经过逆变单元流入电机驱动负载.

（2）当电机处于发电状态时，电流从电机经过逆变单元流入直流母线，但由于二极管的单向导通性，此时电流并不能通过二极管整流单元流回电网。由于能量的集聚，直流母线的电压就会一直升高直到触发变频器的过压保护。因此这种标准的变频器拓扑结构就要求电机只能处于电动状态，而不能是发电状态，当然这种绝对的电动状态在实际工业应用中是不存在的。

1 制动方法介绍

1.1 能耗制动

为了防止电机发电状态下直流母线的无限制上升近而触发变频器的过压保护，一种比较普遍而且简单的方法是在变频器的直流母线上加装能耗电阻，用于消耗电机发电状态时回馈给直流母线的能量，这种方法称之为能耗制动[1~2]。能耗制动单元中功率电阻的选择一般为变频器额定功率的10%。通过间歇性的开通和关断制动单元中的功率管就可以将直流母线上的能量消耗在制动单元中的电阻上，以确保变频器的过压保护不被触发，同时为变频器提供制动能力。当然在功率管的频繁开关中，功率管会发热，为了防止功率管过热而烧坏，必须提供可以将制动单元从直流母线切断的控制回路。能耗制动单元的最大优点就是其与电网的波动没有太大关系，具有相对的独立性。

1.2 VSC与PWM整流

与能耗制动相比较，在变频器的前端加装VSC[4]或者PWM[5]整流单元是一种更高效且更经济的方法，这两种方法可以将制动过程中的能量回馈给电网而不是以热量的形式消耗到电阻上。在变频器中采用PWM整流（而不是二极管整流）可以使变频器四象限运行，并且可以将直流母线电压设定在任何一个定值。

1.3 工频回馈

工频回馈[3]（RB）是一种高效且新颖的控制方式，其主回路拓扑结构由1个或者2个IGBT开关管和六脉波二极管整流桥组成（如图1所示）。RB是介于能耗制动和VSC之间一种折中的控制方式，该控制方式仅仅工作于变频器的回馈状态（即电机的发电状态下），其比VSC有更高的效率，然而在电动状态下，RB和VSC输入电流都相差不大，都有高的电流畸变率。

图1 并联RB单元变频器主回路

2 工频回馈拓扑结构及其原理

2.1 工频回馈的拓扑结构

工频回馈（RB）利用三相IGBT桥可以工作于变频器的电动和制动状态下,电动状态时采用与IGBT反并联的续流二极管整流,制动时通过驱动IGBT来实现能量的反向流动。

图1是一个并联有RB单元变频器主电路的拓扑结构，这个拓扑结构为变频器的回馈电流提供了回流电网的通路。回馈电流通过RB单元和与之相串连的电抗器流回电网。电动状态下的电流流向与没有回馈单元的变频器相同，都是通过变频器前端的三相二极管整流单元从电网流向直流母线。由于RB单元电抗器的存在，在电动状态时RB回馈单元中IGBT的续流二极管中流过的电流只占总电流很小的一部分。但如果使用RB单元替代变频器的二极管整流单元，所有电动状态下电流都将由RB单元中的续流二极管提供。

2.2 工频回馈的原理及其工作模式

以回馈电流的大小为依据可以将RB单元的工作状态分为正常工作模式、软件过载模式、硬件过载模式三种。

（1）正常工作模式

图2给出了RB单元的控制功能框图，当变频器处于制动状态时，正常工作模式下电网侧线电流（Ia，Ib，Ic）比软件限流值（Ilim）要小，此时回馈单元中的电流限制模块不会被激活。RB单元中的各个功率管（IGBT）在自然换相点导通和关断，其导通角度为120 deg。

图2 RB单元功能框图

下面以A相为例说明其导通和关断的原理。如图3所示，其中t0和t2之间即为A相正常工作模式下的导通角度，在这段时间内A相与B相之间的线电压Uab在所有三个线电压中最大而与直流母线电压的电压差最小，此时图4中的功率管A和B-导通，其余功率管处于关断状态。在时间t2与t1之间，线电压Uac在三相线电压中最大且与直流母线的电压差最小，同理功率管A和C-导通。在这些导通时间内，始终驱动与直流母线电压有着最小电压差的那线电网侧回路的IGBT导通，关断其余两线回路的IGBT（对纯电阻负载），通过这样的方式使得直流母线的能量流回到电网，实现能量的回馈。

图3 RB单元功率管导通条件

图4 RB单元主回路

图5比较详细的说明了图4中能量回馈时IGBT的开通与关断的情况。由同步锁相环（PLL如图2所示）产生的三相同步信号与其相对应的相电压有一个δs的相位差。图5（b）中的同步信号与一条IGBT的导通线cl相比较：0.5

图5 电压信号与触发信号的相位关系

图5（c）中的波形EFa即为A相回路在正常工作模式下的驱动信号，其与图2中PWM调制波模块中产生的A相调制波Ma相对应。调制波Ma与幅值为+-1的三角载波fc比较产生A相桥臂IGBT的触发脉冲。当Ma=1时，在图4中的a相桥的上功率管在整个载波周期内都导通，下桥臂的功率管关断；当Ma=-1时，a相桥的上功率管关断，下桥臂功率管导通；当EFa=0时，a相桥的上下两个功率管都关断。在正常工作模式下每一个导通的功率管在整个导通时间δc内都导通，即每个功率管的导通角度都是120 deg。功率管的导通频率与电网的频率相同，此时功率管的开关损失很小。通过合理的设计，选择合适的功率等级或者通过控制变频器的减速时间能够充分保证RB单元工作于正常工作模式。

（2）软件电流限制模式

当变频器急停车或者是工况要求变频器有着高的速度变化率时，直流母线电压上升就很快，这就造成了一种现象的出现，即回馈电流等于或者大于软件限制电流Ilim，此时图2中的电流调节器将起作用。图6中详细描述了当回馈电流绝对值大于软件限制电流时A相电流调节器工作的情况。当A相电流的绝对值大于软件限制电流时，软件限制电流与A相电流的绝对值的差值经过IF调节模块，其二者的偏差信号与电流调节器的的比例系数Kp以及软件限制模式的驱动信号SLFa相乘，所得到的值再与正常工作模式驱动信号EFa相减得到调制信号ma。

图6 软件电流限制模块功能框图

图5（d）描述了EFa和SLFa的相位关系。从其相位关系可以看出，SLFa只存在于导通角的后半个周期，在导通角的前半个周期内，各个功率管依据正常工作模式时的工作方式导通和关断，而在后半个周期经过软件电流限制模块处理得到的调制波Ma通过减小后半个周期功率管的导通时间达到限制电流的目的。A相导通角的前半个周期正好是C相导通角的后半个周期，当线电流大于软件限制电流时，其余相也通过相同的方法限制了线电流的增大。通过这种控制策略可以轻松实现对线电流的控制，并且可以保证电流平滑变化的同时实现高效率的能量回馈。

（3）硬件电流限制模式

当交流网侧电压有突然大的下降时，线电流会激增以至于超过软件限流值达到功率管可以承载的极限电流，此时应当将所有的功率管全部关断以保护功率管免受损坏，由于所有功率管的关断，线电流迅速降到0，在下一个采样周期所有的功率管重新开始工作。如果网侧的电压波动持续存在时，进线电流将在0与极限电流之间以脉冲的形式持续存在。当这种情况持续发生并且时间足够长时，直流母线的电压就会持续升高直到触发驱动器的过电压保护。

3 工频回馈的仿真与实现

通过在matlab/simulink中搭建仿真模型，图8（b）即为仿真结果，其中Udc为变频器的直流母线电压，Ua为电网侧的A相电压，Iat为变频器进线侧电流，Iinν为变频器的直流母线电流。图8（b）中0.05 s之前变频器处于电动状态，0.05 s之后变频器处于能量回馈状态（即RB此时处于工作状态）。从0.05 s前后直流母线电流方向的改变可以看出变频器实现了能量的双向流动。图8（a）为RB单元工作时的实验波形，其中波形1为电网侧进线电流波形，波形2为电网侧（电抗器的前级）的电压波形。图7中的波形为RB单元工作电抗器后级的电压波形。

图7 回馈电压波形

图8 工频回馈仿真波形

4 结束语

工频回馈具有三种控制模式，控制方法简单，可以单独使用，也可以集成于变频器的内部替代二极管的整流单元用以实现能量的回馈。通过适当地设计可以保证工频回馈单元工作于正常模式，此时各个功率管的导通角为120 deg，其导通频率为工频频率，具有很小的损耗。而当电网有大的波动时，工频回馈单元还有软电流限制模式和硬件电流限制模式保证系统运行的安全、可靠。

[1]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]简嘉亮.基于TMS320LF2811的变频器能量回馈系统的设计与实现[J].电机与控制应用，2006.

[3]J.W.Kolar，Hans Ertl,F.C.Zach，V.Blasko，V.Kaura and R.Lukaszewski，”A Novel Conceptfor Regenerative Braking of PWMVSIDrives Employing Loss-Free Braking Resistor,”[C].Atlanta,Georgia.Conf.Rec.of APEC97 Ann.February23-27,1997.Mtg.,pp.1241-1246

[4]吴隆安.能量回馈设计与实现[J].电力电子技术，1995（1）

[5]Juan W.Dixon,Boon-Teck Ooi,”Indirect Current Control lf a Unity Power Factor Sinusoidal Current Boost Type Three-Phase Rectifier,[C]”IFFF-Trans.on IndustrialElectromics,Vol.35,No.4,pp.508-515,November 1988。