變頻器回饋制動原理、算法及其特點
1 引言
目前，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)廣泛采用簡單的能耗制動，存在浪費電能、電阻發(fā)熱嚴重，快速制動性差等缺點。而在異步電動機頻繁制動時，采用回饋制動是一種非常有效的節(jié)能方法，并且避免在制動時對環(huán)境及設備的破壞。在電力機車、采油等行業(yè)中取得令人滿意的效果。在新型電力電子器件不斷出現(xiàn)、性價比不斷提高，人們節(jié)能降耗意識提高的的情況下有著廣泛的應用前景。
能量回饋制動裝置特別適用于電動機功率較大，如大于等于100kw以上，設備的轉(zhuǎn)動慣量gd2較大，屬反復短時連續(xù)工作制，從高速到低速的減速降幅較大，制動時間又短，又要強力制動的場合。為了提高節(jié)電效果，減少制動過程的能量損耗，將減速能量回收反饋到電網(wǎng)去，達到節(jié)能功效時，它也是必須采用的。
2 回饋制動原理
在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停車是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的，在頻率減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變，它的轉(zhuǎn)速變化是有一定時間滯后的，這時會出現(xiàn)實際轉(zhuǎn)速大于給定轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生電動機反電動勢e高于變頻器直流端電壓u的情況,即e>u。這時電動機就變成發(fā)電機，非但不要電網(wǎng)供電，反而能向電網(wǎng)送電，這樣既有良好的制動效果，又將動能轉(zhuǎn)變化為電能，向電網(wǎng)送電而達到回收能量的效果，一舉兩得。當然必須有一套能量回饋裝置單元，進行自動的控制，才能做到，其原理框圖如圖1所示。另外，能量回饋電路還應包括交流、直流電抗器、阻容吸收器、電子開關器等。
圖1 變頻器回饋制動電路原理框圖
眾所周知，一般通用變頻器其橋式整流電路是三相不可控的，因此無法實現(xiàn)直流回路與電源間雙向能量傳遞，解決這個問題的*有效方法是采用有源逆變技術(shù)，整流器部分采用可逆整流器，又叫網(wǎng)側(cè)變流器。通過對網(wǎng)側(cè)變流器的控制將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率電網(wǎng)同頻率、同相位的交流電回饋電網(wǎng)，從而實現(xiàn)制動。以前有源逆變單元主要采用晶閘管電路，這種電路只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下（電網(wǎng)電壓波動不大于10%），變流器才能**地進行回饋運行。這種電路只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下（電網(wǎng)電壓波動不大于10%），變流器才能**地進行回饋運行。因為在發(fā)電制動運行時，電網(wǎng)電壓制動時間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。另外，本方式在深控時，功率因數(shù)低、諧波含量高、換相重疊將引起電網(wǎng)電壓波形畸變。同時控制復雜，成本較高。隨著全控型器件的實用化，人們又研究出斬控式可逆變流器，采用pwm控制方式。這樣網(wǎng)側(cè)變流器的結(jié)構(gòu)與逆變器的結(jié)構(gòu)完全相同，都采用pwm控制方式。
從以上分析可知，要真正實現(xiàn)變頻器的能量回饋制動，關鍵是對網(wǎng)側(cè)變流器的控制。下文重點闡述網(wǎng)側(cè)變流器采用全控器件、pwm控制方式的控制算法。
3 控制算法
網(wǎng)側(cè)變流器的控制算法通常采用如圖2所示的矢量控制算法，圖2中vdc、v*dc、△vdc分別表示直流母線電壓的測量值、給定值和控制誤差；id、i*d、△id分別表示網(wǎng)側(cè)逆變器d軸的測量值、給定值和控制誤差； iq、i*q、△iq分別表示網(wǎng)側(cè)變流器q軸電流的測量值、給定值和控制誤差；△v*d、v*d、v*q分別表示網(wǎng)側(cè)變流器的d軸輸出電壓偏差給定值、d軸輸出電壓給定值和q軸輸出電壓給定值；eabc、v*abc、iabc分別表示電網(wǎng)電勢、網(wǎng)側(cè)變流器輸出電壓的瞬時給定值和輸出電流的三相瞬時值；e、φ分別表示電網(wǎng)電勢的幅值和相位。
圖2 能量回饋變頻器網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制算法框圖
矢量控制算法將實測的直流母線電壓與給定值之差，通過pi調(diào)節(jié)器，得到d軸電流的給定值；然后根據(jù)測量到的電網(wǎng)電壓的相位，對實測的網(wǎng)側(cè)變流器輸出電流進行同步坐標變換，得到d軸電流和q軸電流的實測值，對其進行pi調(diào)節(jié)后將d軸量與電網(wǎng)電壓幅值相加，得到d軸電壓和q軸電壓的給定值，經(jīng)過同步坐標反變換后輸出。
這種算法的優(yōu)點是控制精度高，動態(tài)響應好；缺點是控制算法中坐標變換較多，算法較復雜，對控制處理器計算能力要求較高。
控制系統(tǒng)處理器計算能力較低的設備也可以采用簡化的電流控制算法，如圖3所示。
圖3 能量回饋變頻器網(wǎng)側(cè)變流器的電流控制算法框圖
從圖3可知，它采用了電流追蹤型pwm整流器組成方式。這種簡化的算法直接將d軸電流給定值與用測量到的電網(wǎng)電壓相位查表得到的三相正弦基準值相乘，得到三相輸出電流的給定值，然后進行簡單的pi調(diào)節(jié)得到三相輸出電壓的給定值并輸出。由于該算法略去了坐標變換的計算，因而對控制處理器的計算能力要求較低。另一方面，由于pi調(diào)節(jié)器本身的特性決定了其對交流量的控制存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，因此這種算法的功率因數(shù)低于標準矢量控制算法。在動態(tài)過程中，直流母線電壓的波動相對較大，快速動態(tài)過程中發(fā)生直流母線壓等故障的概率相對較高。
4 回饋制動特點
嚴格地講，不能簡單地把網(wǎng)側(cè)變流器稱為“整流器”，因為它既可以作為整流器工作，又可以作為逆變器工作。由于采用了自關斷器件，通過恰當?shù)膒wm模式，可對交流電流的大小和相位進行控制，使輸入電流接近正弦波，并使系統(tǒng)的功率因數(shù)總是接近于1。當電動機減速制動從逆變器返回的再生功率使直流電壓升高時，可以使交流輸入電流的相位與電源電壓相位相反，以實現(xiàn)再生運行，并將再生功率回饋到交流電網(wǎng)去，系統(tǒng)仍能將直流電壓保持在給定值上。這種情況下，網(wǎng)側(cè)變流器工作在有源逆變狀態(tài)。這樣就容易實現(xiàn)功率的雙向流動，且具有很快的動態(tài)響應速度，同時這樣的拓撲結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)能夠完全控制交流側(cè)和直流側(cè)之間的無功和有功功率的交換，且效率可高達97%，經(jīng)濟效益較大，熱損耗為能耗制動的1%，同時不污染電網(wǎng)，功率因數(shù)約等于1，具有綠色環(huán)保的特點。所以，回饋制動可廣泛應用于pwm交流傳動的能量回饋制動場合的節(jié)能運行，特別適用于需要頻繁制動的場合，電動機的功率也較大，這時節(jié)電效果明顯，按運行的工況條件不同，平均約有20%的省電效果。實現(xiàn)回饋控制的**不足是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜。
5 結(jié)束語
綜上所述，可以看出能量回饋系統(tǒng)裝置具有的優(yōu)越性遠勝過能耗制動和直流制動，采用回饋制動將再生電能回饋電網(wǎng)，則能達到降低能耗和節(jié)約電費的效果，因此在目前國內(nèi)各地由于經(jīng)濟高速發(fā)展而紛紛鬧電荒的時候，推廣和應用回饋制動器，具有重要的節(jié)能意義。所以近年來不少單位結(jié)合使用設備的特點，紛紛提出配置能量回饋裝置的要求，但原來國外僅有abb 、西門子等為數(shù)不多的公司能提供產(chǎn)品，國內(nèi)幾乎空白。所以加快國內(nèi)相關產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)具有重大的現(xiàn)實意義。