TEFU能量回饋單元基本原理及應用

0 引言

在變頻器電氣傳動系統(tǒng)中，當電機的負載是位能式負載，如油田抽油機、礦用提升機等，或大慣量負載，如風機、水泥制管、動平衡機等，以及軋鋼機、大型龍門刨床、機床主軸等需要快速制動類負載時，電機都不可避免地存在發(fā)電過程，即電機轉子在外力的拖動或負載自身轉動慣量的維持下，使得電機的實際轉速大于變頻器輸出的同步轉速，電機所發(fā)出的電能，將會通過變頻器逆變橋的續(xù)流二極管組成的三相整流電路，儲存在變頻器的直流母線的濾波電容中。如果不把這部分能量消耗掉，直流母線電壓就會迅速升高，影響變頻器的正常工作。通常處理這部分能量的方法是增加制動單元和制動電阻，將這部分電能消耗在電阻上變成熱能浪費掉，而采用TEFU系列產品完全可以替代制動單元和制動電阻，并且可以將這部分能量回饋給電網，供其他設備使用，實現(xiàn)綠色、環(huán)保、節(jié)能的目的。本文介紹的TEFU系列能量回饋單元提出了一種正弦波電流跟蹤技術，使得回饋電網的電流波形畸變率5%。

1 電機再生能量的幾種常用處理辦法

在電機傳動領域中，當電機快速制動或被其他力量拖動而工作在再生發(fā)電狀態(tài)時，為避免變頻器出現(xiàn)過流或過壓故障跳閘，需要采取一些措施來處理電機的再生發(fā)電能量。

1)采用制動單元和制動電阻，制動單元的工作原理是通過檢測變頻器的直流母線電壓來實現(xiàn)對再生能量的處理。當直流母線電壓超過某一設定數(shù)值(如680 V)時，打開制動單元的開關將大功率制動電阻連接到直流母線上，釋放儲存在變頻器內濾波電容上的電能，此時電阻將電能轉變成熱能消耗掉，制動能量被白白浪費，效率很低。采用這種方式時，投資較少，性能上的缺點是制動響應時間慢，制動轉矩不足。

2)在變頻器的直流母線上并聯(lián)超級大電容，這種方式的原理如圖1所示。其原理是將電機制動時的再生能量儲存在足夠大的超級電容器中，當電機工作在電動機狀況時，又將儲存在超級大電容中的電能利用，因此，這樣的方式效率最高，基本沒有損耗，轉換效率可達99%以上(不考慮電機的發(fā)電效率)。但是這種策略存在的致命缺點是電容的容量一般在法拉級，受制造工藝和材料的限制，超級大電容體積非常龐大，價格昂貴。

3)采用共用直流母線的策略，這種方式的原理如圖2所示，但僅適合于多電機傳動系統(tǒng)。當系統(tǒng)中某臺電機處在再生發(fā)電狀態(tài)時，它所發(fā)出的電能可以被處于電動狀態(tài)的其他電機所利用。但是這種方案僅適用于多電機傳動系統(tǒng)，而且要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機容量要遠小于工作在電動狀態(tài)的電動機容量，應用有一定的局限性。

由以上分析可見，不管采用上述何種方法處理電機的再生發(fā)電能量，都會或多或少地存在一些問題，不是耗能就是價格昂貴或者應用范圍受限。針對以上問題，很多學者都在研究能量回饋問題。

2 TEFU系列能量回饋單元基本原理

TEFU系列能量回饋單元，通過自動檢測變頻器的直流母線電壓，采用正弦波電流跟蹤技術，將變頻器直流環(huán)節(jié)的直流電壓逆變成與電網電壓同頻同相的三相交流電壓，經多重噪聲濾波后連接到交流電網。從而達到能量回饋的目的，并且實現(xiàn)單位功率因數(shù)回饋，回饋到電網的電能達到電機發(fā)電能量的97%以上，有效節(jié)省電能，其原理框圖如圖3所示。

具體的原理拓撲結構如圖4 所示。這樣的拓撲結構可以很容易做到控制交流側和直流側之間有功功率和無功功率的交換。所謂正弦波電流跟蹤技術是指圖4 中將電網電壓的正弦波信號作為回饋電流的指令信號，通過閉環(huán)控制使得回饋電流波形跟蹤電網電壓信號的波形，從而實現(xiàn)回饋電流的正弦特性，減小回饋電流的畸變率。

3 實驗波形

從下面的實驗波形中，可以看到該能量回饋單元可以很好地處理電機再生發(fā)電的能量，同時完成單位功率因數(shù)回饋，而且回饋電流畸變率 5%。

圖5是能量回饋單元回饋時某一相的相電壓和回饋的相電流，圖中光滑的波形是電網相電壓，另一波形是回饋電流，從中可以看到回饋的功率因數(shù)約等于1，回饋電流逼近正弦波。

圖6是能量回饋單元工作時回饋電流和變頻器直流母線電壓的波形(100 V/div)，從圖中可以看到，制動時變頻器直流母線電壓迅速上升，達到690 V

時，回饋單元立即工作，很好地將直流母線電壓穩(wěn)定在700 V以內，變頻器的停車時間約在0.6 s，回饋單元響應迅速(2 ms以內)，制動力矩大。

4 應用

TEFU 系列能量回饋單元和變頻器一起可以應用在位能式負載或大慣量負載和其他需要快速制動類負載的場合。下面是TEFU 系列能量該回饋單元與時代TVF 8000 系列變頻器在河北某單位B2016A型龍門刨床上的應用情況。

B2016A 型龍門刨床是機械加工初用的大型機床，是制造重型設備不可缺少的工作母機，主要用來加工大型工件的各種平面、斜面和槽，在機加行業(yè)應用非常廣泛。由于技術的限制，五六十年代的龍門刨床工作臺的拖動采用了電機擴大機—直流發(fā)電機—直流電動機方式，造成故障率高，體積大、電耗大、控制精度差、效率低等諸多缺陷。基于以上種種弊端，我們對河北某加工廠的B2016A 型龍門刨床進行了變頻改造，改造方案是采用時代TVF8000系列變頻器配套TEFU 系列能量回饋單元方案+TVF8000 系列變頻器配套制動單元和制動電阻方案。將這兩種方案進行對比，采用回饋單元的方案比采用制動單元和制動電阻的方案多節(jié)能20%，節(jié)能效果顯著。而且系統(tǒng)改造以后，運行穩(wěn)定，可靠性高，系統(tǒng)維護簡

單方便，回饋電能質量高，刨床的加工精度高，提高了加工質量與效率，延長了刀具的使用壽命。

5 結語

采用正弦波電流跟蹤技術研制的TEFU 系列能量回饋單元，具有自動識別電網相序，有過流、過熱、短路等全面保護功能，是一款綠色環(huán)保的節(jié)能產品。

從控制性能指標上看本產品還有改進之處，如可以采用空間電壓矢量控制SVPWM 調制技術產生純凈的正弦波回饋電流等。

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