變頻器回饋制動原理、算法及其特點
1 引言
目前，交流變頻調速系統廣泛采用簡單的能耗制動，存在浪費電能、電阻發熱嚴重，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能方法，并且避免在制動時對環境及設備的破壞。在電力機車、采油等行業中取得令人滿意的效果。在新型電力電子器件不斷出現、性價比不斷提高，人們節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，設備的轉動慣量gd2較大，屬反復短時連續工作制，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去，達到節能功效時，它也是必須采用的。
2 回饋制動原理
在變頻調速系統中，電動機的降速和停車是通過逐漸減小頻率來實現的，在頻率減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉子轉速未變，它的轉速變化是有一定時間滯后的，這時會出現實際轉速大于給定轉速，從而產生電動機反電動勢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電機，非但不要電網供電，反而能向電網送電，這樣既有良好的制動效果，又將動能轉變化為電能，向電網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，整流器部分采用可逆整流器，又叫網側變流器。通過對網側變流器的控制將再生電能逆變為與電網同頻率電網同頻率、同相位的交流電回饋電網，從而實現制動。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生故障的穩定電網電壓下（電網電壓波動不大于10%），變流器才能**地進行回饋運行。這種電路只有在不易發生故障的穩定電網電壓下（電網電壓波動不大于10%），變流器才能**地進行回饋運行。因為在發電制動運行時，電網電壓制動時間大于2ms，則可能發生換相失敗，損壞器件。另外，本方式在深控時，功率因數低、諧波含量高、換相重疊將引起電網電壓波形畸變。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。這樣網側變流器的結構與逆變器的結構完全相同，都采用pwm控制方式。
從以上分析可知，要真正實現變頻器的能量回饋制動，關鍵是對網側變流器的控制。下文重點闡述網側變流器采用全控器件、pwm控制方式的控制算法。
3 控制算法
網側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分別表示網側逆變器d軸的測量值、給定值和控制誤差； iq、i*q、△iq分別表示網側變流器q軸電流的測量值、給定值和控制誤差；△v*d、v*d、v*q分別表示網側變流器的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分別表示電網電勢、網側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分別表示電網電勢的幅值和相位。
圖2 能量回饋變頻器網側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調節器，得到d軸電流的給定值；然后根據測量到的電網電壓的相位，對實測的網側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調節后將d軸量與電網電壓幅值相加，得到d軸電壓和q軸電壓的給定值，經過同步坐標反變換后輸出。
這種算法的優點是控制精度高，動態響應好；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 能量回饋變頻器網側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調節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調節器本身的特性決定了其對交流量的控制存在一定的穩態誤差，因此這種算法的功率因數低于標準矢量控制算法。在動態過程中，直流母線電壓的波動相對較大，快速動態過程中發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，不能簡單地把網側變流器稱為“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，通過恰當的pwm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，并使系統的功率因數總是接近于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，以實現再生運行，并將再生功率回饋到交流電網去，系統仍能將直流電壓保持在給定值上。這種情況下，網側變流器工作在有源逆變狀態。這樣就容易實現功率的雙向流動，且具有很快的動態響應速度，同時這樣的拓撲結構使得系統能夠完全控制交流側和直流側之間的無功和有功功率的交換，且效率可高達97%，經濟效益較大，熱損耗為能耗制動的1%，同時不污染電網，功率因數約等于1，具有綠色環保的特點。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。實現回饋控制的**不足是控制系統結構復雜。
5 結束語
綜上所述，可以看出能量回饋系統裝置具有的優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，則能達到降低能耗和節約電費的效果，因此在目前國內各地由于經濟高速發展而紛紛鬧電荒的時候，推廣和應用回饋制動器，具有重要的節能意義。所以近年來不少單位結合使用設備的特點，紛紛提出配置能量回饋裝置的要求，但原來國外僅有abb 、西門子等為數不多的公司能提供產品，國內幾乎空白。所以加快國內相關產品的研發和生產具有重大的現實意義。