一种能量回馈制动方式在变频器中的应用
第８卷第２１期２００８年１１月１６７１－１８１９（２００８）２１－５８０８—０４
科学技术与工程
ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＦ・ｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＶｏＬ８Ｎｏ．２１Ｎｏｖ．２００８
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机电技术
一种能量回馈制动方式在变频器中的应用
李旺达邓云霄’
（江西机电职业技术学院，南昌３３０００１）
摘要能量回馈制动方式能实现电机四象限运行，实现快速正反转、精确制动。详细分析了泵升电压的产生和能量回馈原理，设计了以ＤＳＰ为核心的能量回馈制动装置的软硬件。实现了能量的回馈制动。关键词能量回馈
泵升电压
变频器文献标志码Ａ
中图法分类号ＴＭ３４４．６；
通用变频系统由于采用了不可控整流，能量只能单向传递，在许多需要四象限运行的场合，如用于需要快速启动、制动、频繁正反转的调速系统，电机处于再生制动状态，异步电机实际上已成为异步
电能。
概括说来，能量回馈制动的优点有：１）真正实现了变频调速系统的四象限运行：２）制动产生的能量得到回收利用，系统的效率大大提高，与此同时，电网品质不受影响；
３）系统发热能降低，安全性提高，维护工作量减少；
发电机，在直流侧电容上产生很高的泵生电压，若
不及时释放这部分能量，势必会引起变频器过压保护动作或造成主回路功率器件的过压损坏。而传
统的变频系统无法处理这部分能量，不能应用于负
载中。因此，有必要研究一种具有能量回馈的制动方式，将再生能量回馈到电网，实现电机的四象限运行，并将获得显著的节能效果。
逆变器是把直流电转换为所要求的不同频率和电压的交流电的变流装置，直流电经过逆变把能量供给负载使用时称为无源逆变；直流电经过逆变向交流电源供电称为有源逆变。能量回馈制动将制动产生的能量由逆变器输出，返回电网，属于有源逆变。可以通过控制逆变器的驱动信号，还可以
４）完善制动效果，适应快速制动和频率制动的
工程需求。
１泵升电压的产生‘１】
对于交－直－交通用变频调速系统，电动机处于
再生发电状态，滑差为负，不管反电势多低，六个续
流二极管都会利用主管断开时电机漏感产生的泵
升作用将电机的再生电能回送到直流回路。从续
流回路看，直流回路是钳位电压，主管每关断一次。
调节输出电压或电流的幅值和相位，这样，就有可
能实现输出电压和电源同步，输出“纯洁”无污染的
存在电机漏感内的磁能都会由泵升作用送到直流回路。图１从电路的角度分析电流反向把再生能量
回馈变频器直流侧。图ｌ所示为二极管续流时的等
２００８年７月２８日收到
第一作者简介：李旺达（１９６５一），男，江西南昌人，剐教授，研究方
向：电气自动控制和电机拖动等相关技术。
值电路图。假定电容上的电压为仉，绕组的反电动势为Ｅ，在主管Ｊｌ和Ｊ２开、关瞬间电流初值为厶，
电阻ｒ，电感￡是常数。
’通信作者简介：邓云胃（１％６一），女，江西南昌人，工程师，研究方向：电气自动控制和电工技术等相关技术。
万方数据
２ｌ期李旺达：一种能量回馈制动方式在变频器中的应用
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图１泵升作用等值电路
回路方程：
电动状态：玩＋Ｅ＝（汀＋Ｌ象），发电状态：玑坷＝（ｒ，＋￡岩）。
电动状态时Ｅ和，反向，钳位电压为玑＋Ｅ，再生发电状态时层和，同向，钳位电压为玑一Ｅ，同一加下泵升时间随电机运行状态的不同而产生不同变换，电动时随Ｅ升高而减少，发电时随层升高而增加。从能量关系看来，电动状态以和Ｅ同时吸收电能，发电状态以吸收全部的电能，包括制动时产生的电能。如果没有吸收再生能量的环节，电容上电压将升高，直到过压保护整定值引起过压跳闸，这种现象称为泵升作用，电容上电压的升高部分称
为泵升电压。
２能量回馈制动变频器的工作原理‘ｚ．３】
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图２能量回馈制动变频器结构图
能量回馈型变频器的内部结构如上图所示，其主电路是将６个ＩＧＢＴ分别并联与整流侧６个不可控二极管上，其工作工程为：
系统正常工作时，即电动机处于电动状态，此时变频器整流器工作，有源逆变装置关闭，能量不
万
方数据向三相交流电网回馈。当电动机处于再生发电状
态时，能量由变频器电机侧流回直流侧，导致直流
侧泵升电压升高。当直流母线电压超过电网线电压峰值后，整流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过设定的允许启动逆变器工作电压，能量由有源逆变装置的６个ＩＧＢＴ流回交流电网侧。当直流母线电压下降到另一设定的关
闭逆变器工作电压时，关闭有源逆变装置，能量回馈结束。
３再生能量控制原则‘４】
能量回馈制动的主要目的就是将电机旋转的机械能转换为电能，并返回电网，以利于节能，同时省去常用的泵升保护电路，并且要保证输出电能的质量。显然，对电网来说，要求输出一定频率的幅值的正弦交流电压，否则，会对电网造成污染。同时，还要注意保护组成能量回馈电路的功率开关器件。
１）当直流母线电压高于电网电压时开始回馈；２）回馈过程必须与电网同步；３）回馈电流必须加以限制。
．
４能量回馈检测电路‘｝＿５１
４．１电压检测电路
当直流母线电压超过电网线电压峰值后，整流桥由于承受反压而关断；当直流母线电压继续升高并超过设定的允许启动逆变器工作电压，能量由有源逆变装置的６个ＩＧＢＴ流回交流电网侧。因此，直流母线电压检测信号决定能量回馈装置的工作状态。
因为直流母线电压较高，采用电阻分压电路，然后经过高速高线性度光电耦合器ＴＬＰ５５９将直流母线电压线性地变为弱电压信号，该信号经过变换后为回馈电流提供控制信号，以决定是否开启逆变装置进行能量回馈。由运放组成电压跟随电路使得系统不易受电压波动影响。
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科学技术与工程
８卷
其工作工程为：当直流母线电压屹大于电网电压时，起动逆变器中的开关管，以使直流母线上的
能量逆变回馈到电网，迫使Ｋ回落；当％小于电网
线电压后再关闭开关管，停止能量回馈，使主电路
工作于整流状态。为了避免逆变器过于频繁地起动和关闭，同时确保系统整流与回馈不要同时工作，电压控制为滞环控制方式：系统正常工作时，由
于交流电网电压存在波动，设‰和‰时为电压滞
环的上限与下限，当圪＞‰时系统回馈能量，
虼＜Ｉ，品时系统整流运行。且要求ｙｋ大于电动机工作在电动状态时可能出现的最高直流母线电压，考虑到电网电压的波动，设电网电压波动为１５％，经整流后，为：
ｖｏ．＝√３以（１＋１５％）拉。
式中：酢为交流电网相电压的有效值，‰为
最大直流母线电压．一般情况下，电网相电压有效
值取２２０
Ｖ，由上式可得‰＝６１９．７
Ｖ，系统选取
‰＝６３０
Ｖ，电压滞环控制的环宽是３０
Ｖ，‰＝
６６０Ｖ。
此外，电压上限阀门值要低于变频器直流端电压过压保护设定值，以保证回馈装置能够正常工作，否则，直流端电压升高时，则变频器先进行过压
保护，无法实现回馈功能。具体的电压滞环由ＤＳＰ算法处理。图３为电压检测电路。
２４０７
１３５１＂
图３电压检测电路
４．２电流检测电路
电流检测电路采用霍尔模块来采集直流侧电流信号，将采集到的电流信号送到ＤＳＰ控制系统。为系统提供可靠的反馈电流。
电流检测电路是将采集到的电流信号送到处理器控制系统，为系统提供可靠的反馈电流。当再
生制动产生的功率增大时，由于电网电压是一定万
方数据的，故回馈电流应该随之增大，而且应该把电流限
制在功率模块允许的安全工作区内，以免损坏功率
器件和对电网构成冲击，所以对电流的实时检测是非常重要的。输入电流检测是为了得到实时的输
入电流，在启动能量回馈时。构成电流闭环，以调
节、功率器件的开关状态。能量回馈过程中，因为逆变器工作只允许不同桥臂上半桥和下桥臂导通，所以直流母线上的电流、通过逆变开关元件的电流，以及回馈电网线电流是相等的。测量的时候只
需要在直流母线上装上一个霍尔元件传感器，就可
以检测能量回馈过程中的所有电流。这样的话，就避免了从交流侧测量电流，另外还需对检测的输出电流进行过流保护，从保护时间考虑。可以用如图４硬件电路实现。
图４电流检测电路
电路对检测的交流电流和设定的幅值上下限
值进行比较，幅值超过设定值即输出高电平，送入
ＣＰＵ，进行保护。在此之前，还需要抬升检测的电流
值，使其在控制电压范围内。为了准确的测量电流值，后面加一级电压跟随器，以提高带负载能力。
５能量回馈装置的软件实现
输入信号检测主要包括直流母线电压检测、温
度检测、电流检测等。检测信号是各种保护功能的主要信号，决定能量回馈装置是否进入过压、过流
或过热保护状态。直流母线电压、电流、温度都是
随着时间变换，所以，主程序中对这几个信号进行
２ｌ期李旺达：一种能量回馈制动方式在变频器中的应用
６结论
本文根据传统的交流传动控制系统中的单向能量的不足之处，针对一些场合下要求电机四象限运行，以实现快速正反转、精确制动的实际需要，提出了能量回馈制动问题。在能量回馈原理及关键技术的研究基础上，提出了一种在变频器中能量回馈制动构想，它内置了以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７为核心的能量回馈制动单元，本文设计了其硬件电路和控制软件。从而在新技术组合的设计思想指导下，实现了交流传动系统能量回馈制动和能量的节约利用
等功能。
参考文献
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一种能量回馈制动方式在变频器中的应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
李旺达， 邓云霄， LI Wang-da， DENG Yun-xiao江西机电职业技术学院,南昌,330001科学技术与工程
SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING2008,8(21)
参考文献(5条)
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5. 王士湖;王莉卜 一种再生制动控制电路的设计[期刊论文]-电源应用技术 2002(06)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kxjsygc200821014.aspx