The Current Situations and Development Trend for Energy Feedback
 Control Technology
 of Frequency Converter 
山東大學控制科學與工程學院 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控制系統是一種采用有源逆變方式把電動機減速制動時產生的再生能量回饋電網的裝置。它可以克服通用變頻器傳統制動電阻方式低效、難以滿足快速制動和頻繁正反轉的不足，使通用變頻器可在四象限運行。本文首先回顧了變頻調速能量回饋控制技術的發展歷史及現狀。設計了一種基于智能功率模塊IPM的新型控制系統，并詳細介紹了主電路、控制電路、驅動和保護電路的設計思路。zui后指出了能量回饋技術的發展趨勢。 
關鍵詞:變頻調速技術 能量回饋 再生制動 PWM控制 智能功率模塊 檢測技術 
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 [文獻標識碼] A 文章編號 1561-0330(2002)03-0004-06 


1 引言 
　　變頻調速技術涉及電子、電工、信息與控制等多個學科領域。采用變頻調速技術是節能降耗、改善控制性能、提高產品產量和質量的重要途徑，已在應用中取得了良好的應用效果和顯著的經濟效益[1]。但是，在對調速節能的一片贊譽中，人們往往忽視了進一步挖掘變頻調速系統節能潛力和提率的問題。事實上，從變頻器內部研究和設計的方面看，應用或尋求哪一種控制策略可以使變頻驅動電機的損耗zui小而效率zui高？怎樣才能使生產機械儲存的能量及時地回饋到電網？這正是提率的兩個重要途徑。*個環節是通過變頻調速技術及其優化控制技術實現"按需供能"，即在滿足生產機械速度、轉矩和動態響應要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個環節是將由生產機械中儲存的動能或勢能轉換而來的電能及時地、地"回收"到電網，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網，一方面是節能降耗，另一方面是實現電動機的精密制動，提高電動機的動態性能。本文討論的就是變頻調速系統節能控制的第二個環節－變頻調速能量回饋控制技術。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實意義。 

2 通用變頻器在應用中存在的問題 
　　通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，基本結構如圖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，再經電解電容濾波穩壓，zui后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數高、效率高、精度高、調速范圍寬，所以在工業中獲得廣泛應用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉的調速系統，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構張力系統及機床主軸驅動系統等。因為這種系統要求電機四象限運行，當電機減速、制動或者帶位能性負載重物下放時，電機處于再生發電狀態。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓。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器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍[2]。 

3 國內外能量回饋技術研究現狀 
　　為了解決電動機處于再生發電狀態產生的再生能量，德國西門子公司已經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，可并聯到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網中[3]。同時，已見到國外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網側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，再加上一些產品對電網的要求很高，不適合我國的國情。國內在中小容量系統中大都采用能耗制動方式[10-13]，即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點[14-18]: 
(1) 浪費能量，降低了系統的效率。(2) 電阻發熱嚴重，影響系統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生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動力矩大，調速范圍寬，動態性能好)。 
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。國內關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，目前已經見到有關的文獻報道[14-18]，但尚未見這方面產品的報道。 

4 能量回饋系統的拓撲結構 
　　按照所選用的功率開關器件的不同，能量回饋系統的拓撲結構可分為半控器件型結構和全控器件型結構兩大類。 
4.1 半控器件型(晶閘管型)結構 
　　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，加之驅動、保護電路簡單，價格低廉等原因，采用晶閘管構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構、基本原理以及優、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上再反并聯一套有源逆變裝置，當電動機處于電動狀態時，整流橋T’1~T’6工作;而當電動機處于發電狀態時，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，將能量回饋到電網中，同時該方式有效的阻斷了環流的發生。其主回路結構如圖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，避免直流環流，還應使變頻器的zui高直流側電壓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，并降低了電網的功率因數。 
2) 直流回路電壓降低將使常規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相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產生的直流環流，同時為了限制交流環流以及滿足有源逆變條件在電路中設置了電抗器，但它又有如下缺點: 
1) 增加的變壓器和環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，會使電流斷續而造成電網電流波形畸變，產生高次諧波，使功率因數降低。 
雖然可以采用電壓、電流滯環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。特別是在發生誤觸發時，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產生的短路電流。 
(2) 可控整流/有源逆變復用型 
　　Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓撲結構[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) 多脈寬調制(MPWM)方式 
主電路結構如圖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節。α<900時，晶閘管S1~S6工作在整流狀態，Tr和Th不工作，電抗器L‘起續流作用;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，當電流達到Tr的整定值時，關閉Tr，同時開通Th，由于電感L的續流作用，能量就通過晶閘管T?~T? 流回電網，周而復始，就可以將再生能量回饋電網。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。 
這種方案的優點是巧妙地利用一個整流橋同時實現整流和有源逆變兩種功能，結構簡單，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構，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。 
2) 正弦波脈寬調制(SPWM)方式 
　　該方式控制電路僅采用一只晶體管來實現能量的回饋控制，使電路的結構更加簡單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協調配合，同時該方案的開關損耗較大，能量回饋過程是間斷進行的。為了獲得連續的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。 
3) 可調的庫克(MCC)方式 
　　該方案是在MPWM方式的基礎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，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中。 
該方案的優點是可以連續的回饋再生能量，保證了電流的連續性，從而使回饋的功率較高，開關損耗較小，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，易造成負載轉矩脈動、噪聲較大。 
(3) 滯環控制斬波-逆變回饋方式 
　　上述幾種方案雖然都能實現能量回饋控制，但其缺點是顯而易見的，同時由于晶閘管存在強迫換流關斷的問題，導致對直流側電壓有限制，若直流側電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關斷失敗而導致逆變顛覆，這就限制了它們的應用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置[22]。其主電路結構如圖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、電流調節器CR。其基本思想是當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，回饋電流采用滯環控制方式。 
該電路的工作原理如下:當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，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，當電流傳感器檢測到電流超過設定值時關斷Q1，此時回饋電流開始下降，當電流降到下限設定值時再開通Q1，如此循環往復。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斷;二是在緊急狀態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導通一次，即每600相位角導通一次，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電壓限制的缺點。　　2) 這種結構不產生任何異常的高次諧波電流成分，同時它控制方便，不需要輔助關斷電路，是一種經濟可行的方式。3) 通過在回路中增加電阻R1和開關Q2，提供了能耗制動的可選方式，可以實現緊急制動。 
基于晶閘管的再生能量回饋系統的優點是:結構和控制簡單，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勢。但是其缺點是顯而易見的:它輸入功率因數低;輸入側有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復雜的輔助關斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動態響應慢。故一般用于較大容量和對系統動態性能和快速性要求不太高的場合。 
4.2 全控器件型結構 
　　全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關頻率高、集成度高和動態響應快等優點。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關器件可以提高系統的效率，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已經成為研究的重點。目前國內外流行的控制方式僅對電流回路進行滯環控制[14-18]，雖然控制方式和控制電路比較簡單，但系統的主要控制對象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統的動態性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。 
作者設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控制方式的缺陷，提高了系統的控制精度和動態性能。如圖5所示。 
回饋電流大小的控制是整個系統的核心環節。本系統創新之處是擯棄了傳統的滯環控制方式，采用了PID技術和PWM控制技術，利用電壓型PWM控制芯片SG352作為主控芯片進行閉環控制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，克服了采用滯環控制時回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不的缺限，提高了系統的控制精度、動態性能和抗干擾性能。 
　　控制系統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和關鍵，回饋電流的檢測與控制則是系統的控制核心和難點。 
　　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為弱電壓信號，該信號經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成為閉環控制系統。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的控制性能，因此對電流的實時檢測與控制是一個非常關鍵的環節。本系統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、響應速度快、準確度和線性度高，*可以勝任電路的要求;采用PID調節器和SG352型PWM控制芯片進行脈寬調制，綜合了滯環控制方式和PWM控制方式的優點，使系統能快速、準確地控制回饋能量。實驗結果表明電流控制*符合設計要求。 
　　系統提供交/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是本系統的又一特色。IPM內部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優化的門極驅動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路，它提高了系統的性能和可靠性，降低了系統成本，縮短了產品開發周期，是值得推廣的產品開發途徑。 

5 能量回饋技術的新發展--雙PWM控制技術[23] 
　　交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側一般是經三相不控橋式整流器向中間直流環節的濾波電容充電，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、結構簡單、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低、網測諧波污染以及無法實現能量的再生利用等。消除對電網的諧波污染并提高功率因數，實現電機的四象限運行以構成變頻技術不可回避的問題。為此，PWM整流技術的研究，新型單位功率因數變流器的開發，在國內外引起廣泛的關注。傳統的制動方法是在中間直流環節電容兩端并聯電阻消耗能量，這既浪費了能量，又不可靠，而且制動慢;或者設置一套三相有源逆變系統，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重，電網污染重，功率因數低。而整流電路中采用自關斷器件進行PWM控制，可是電網側的輸入電流接近正弦波并且功率因數達到1，可以*解決對電網的污染問題。 
　　由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實現系統的功率因數約等于1，消除網側諧波污染，能量雙向流動，方便電機四象限運行，同時對于各種調速場合，使電機很快達到速度要求，動態響應時間短。圖3位變頻器雙PWM控制結構，其中ia＊、ib＊、ic＊是與電網電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號，經PWM電流控制器與實際電流ia、、ib、ic比較生成6路PWM開關信號控制整流器中開關元件導通和關斷，是實際電流跟隨ia＊、ib＊、ic＊、網側功率因數約等于1。雙PWM控制技術的工作原理:①當電機處于拖動狀態時，能量由交流電網經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當電機處于減速運行狀態時，由于負載慣性作用進入發電狀態，其再生能量經逆變器中開關元件和續流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環控制作用，使電網電流與電壓同頻同相位，提高了系統的功率因數，消除了網側諧波污染。 
　　雙PWM控制技術打破了過去變頻器的統一結構，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統功率因數，并且實現了電機的四象限運行，這給變頻器技術增添了新的生機，形成了高質量能量回饋技術的發展動態。 

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