The Current Situations and Development Trend for Energy Feedback Control Technology of Frequency Converter
山东大学控制科学与工程学院 张承慧 杜春水 马永庆 程全征 马运东
Zhang Chenghui Du Chunshui Ma Yongqing Cheng Quanzheng Ma Yundong
摘 要:通用变频器能量回馈PWM控制系统是一种采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。它可以克服通用变频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足，使通用变频器可在四象限运行。本文首先回顾了变频调速能量回馈控制技术的发展历史及现状。设计了一种基于智能功率模块IPM的新型控制系统，并详细介绍了主电路、控制电路、驱动和保护电路的设计思路。最后指出了能量回馈技术的发展趋势。
关键词:变频调速技术 能量回馈 再生制动 PWM控制 智能功率模块 检测技术
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 Intelligent 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 Intelligent Power Module Detecting technology
[中图分类号] TM921 [文献标识码] A 文章编号 1561-0330(2002)03-0004-06
1 引言
变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径，已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益[1]。但是，在对调速节能的一片赞誉中，人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。事实上，从变频器内部研究和设计的方面看，应用或寻求哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高？怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网？这正是提高效率的两个重要途径。第一个环节是通过变频调速技术及其优化控制技术实现"按需供能"，即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下，尽量减少变频装置的输入能量;第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地"回收"到电网，即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网，一方面是节能降耗，另一方面是实现电动机的精密制动，提高电动机的动态性能。本文讨论的就是变频调速系统节能控制的第二个环节－变频调速能量回馈控制技术。在能源资源日趋紧张的今天，这项研究无疑具有十分重要的现实意义。
2 通用变频器在应用中存在的问题
通用变频器大都为电压型交-直-交变频器，基本结构如图1所示。三相交流电首先通过二极管不控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电给电动机供电。这类变频器功率因数高、效率高、精度高、调速范围宽，所以在工业中获得广泛应用。但是通用变频器不能直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统，如高速电梯、矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机构张力系统及机床主轴驱动系统等。因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全工作，这就限制了通用变频器的应用范围[2]。
3 国内外能量回馈技术研究现状
为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，德国西门子公司已经推出了电机四象限运行的电压型交-直-交变频器，日本富士公司也成功研制了电源再生装置，如RHR系列、FRENIC系列电源再生单元，它把有源逆变单元从变频器中分离出来，直接作为变频器的一个外围装置，可并联到变频器的直流侧，将再生能量回馈到电网中[3]。同时，已见到国外有四象限电压型交－直－交变频器及电网侧脉冲整流器等的研制报道[4-9]。普遍存在的问题是这些装置价格昂贵，再加上一些产品对电网的要求很高，不适合我国的国情。国内在中小容量系统中大都采用能耗制动方式[10-13]，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行，该方法虽然简单，但有如下严重缺点[14-18]:
(1) 浪费能量，降低了系统的效率。(2) 电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作。(3) 简单的能耗制动有时不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了制动性能的提高(制动力矩大，调速范围宽，动态性能好)。
上述缺点决定了能耗制动方式只能用于几十kW以下的中小容量系统。国内关于能量回馈控制的研究正在进行，但基本上都处于实验阶段，目前已经见到有关的文献报道[14-18]，但尚未见这方面产品的报道。
4 能量回馈系统的拓扑结构
按照所选用的功率开关器件的不同，能量回馈系统的拓扑结构可分为半控器件型结构和全控器件型结构两大类。
4.1 半控器件型(晶闸管型)结构
由于晶闸管的耐压、耐流、耐浪涌冲击能力是全控型功率器件所无法比拟的，加之驱动、保护电路简单，价格低廉等原因，采用晶闸管构成有源逆变电路在七、八十年代获得人们普遍的研究，即使在现阶段也仍有一定的实际意义。下面将要介绍几种基于晶闸管的有源逆变电路的结构、基本原理以及优、缺点的对比。
(1) 可控整流-可控有源逆变型
该方式是人们早期研究的一种方案。基本思路是在可控整流桥的基础上再反并联一套有源逆变装置，当电动机处于电动状态时，整流桥T’1~T’6工作;而当电动机处于发电状态时，随着直流回路电压的升高，三相可控整流器被封锁，三相可控有源逆变器T1~T6工作，将能量回馈到电网中，同时该方式有效的阻断了环流的发生。其主回路结构如图2所示。
众所周知，在晶闸管逆变电路中，为保证逆变器换流的可靠性，对逆变角β有一定的限制，即βmin=300，同时为满足有源逆变的条件，避免直流环流，还应使变频器的最高直流侧电压Udmax小于逆变电压Uβmin，即:
(1)
式中:E为电源相电压有效值， △Um为允许的最高泵升电压。由(1)式可知，αmin应大于βmin。于是带来了两个问题:
1) 较大的αmin将引起波形畸变干扰电网，并降低了电网的功率因数。
2) 直流回路电压降低将使常规380V交流电机得不到充分利用。
为此人们又提出了一种可行的解决办法，就是将有源逆变器通过升压变压器与电网相连，整流电路改为不可控。显然，波形和功率因数都可得到改善，升压变压器可以切断上下桥臂产生的直流环流，同时为了限制交流环流以及满足有源逆变条件在电路中设置了电抗器，但它又有如下缺点:
1) 增加的变压器和环流电抗器使装置的成本提高、体积增大。
2) 因只要Uα< Uβ就会启动逆变装置，使逆变桥频繁工作，损耗增加;由于逆变电流较小，会使电流断续而造成电网电流波形畸变，产生高次谐波，使功率因数降低。
虽然可以采用电压、电流滞环控制方法来克服这一缺陷，但所有的控制均基于对逆变角β的控制，这就大大增加了β角的控制难度。特别是在发生误触发时，没有有效的方法防止有源逆变器颠覆而产生的短路电流。
(2) 可控整流/有源逆变复用型
Keiju.Matsui 等人提出了以下几种拓扑结构[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流桥既完成整流，又实现有源逆变，这样就可以减小装置的体积，降低成本。
1) 多脉宽调制(MPWM)方式
主电路结构如图3所示。采用一个电抗器和一个大功率晶体管作为能量暂存环节。α<900时，晶闸管S1~S6工作在整流状态，Tr和Th不工作，电抗器L'起续流作用;逆变时，α>900(β<900)，一旦交流线电压降为零，先开通大功率晶体管Tr，将能量暂时存在电感L中，当电流达到Tr的整定值时，关闭Tr，同时开通Th，由于电感L的续流作用，能量就通过晶闸管T?~T? 流回电网，周而复始，就可以将再生能量回馈电网。二极管D的作用是防止直流回路的短路电流通过Th流入电抗器L中。
这种方案的优点是巧妙地利用一个整流桥同时实现整流和有源逆变两种功能，结构简单，体积较小。缺点是它的输出波形包含大量的低次奇次谐波，噪声大，同时能量回馈过程间断进行，回馈效率低，能量损耗较大，功率因数低。
为减少MPWM输出波形包含的低次奇次谐波，进一步改善电路的结构，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。
2) 正弦波脉宽调制(SPWM)方式
该方式控制电路仅采用一只晶体管来实现能量的回馈控制，使电路的结构更加简单，且有效的抑制了低次谐波，但它需要晶闸管S1~S6的协调配合，同时该方案的开关损耗较大，能量回馈过程是间断进行的。为了获得连续的电流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一种新的方案，即MCC方式。
3) 可调的库克(MCC)方式
该方案是在MPWM方式的基础上增加一只大型电容器，通过控制电容器的充放电来保证能量回馈过程的连续，工作原理同MPWM一样，先将再生能量储存在电感中，待条件满足后再将能量回馈到电网中。
该方案的优点是可以连续的回馈再生能量，保证了电流的连续性，从而使回馈的功率较高，开关损耗较小，但由于引人了大型电容器，使装置体积增大，成本提高，同时该电路输出电流波形包含较大的低次奇次谐波成分，易造成负载转矩脉动、噪声较大。
(3) 滞环控制斩波-逆变回馈方式
上述几种方案虽然都能实现能量回馈控制，但其缺点是显而易见的，同时由于晶闸管存在强迫换流关断的问题，导致对直流侧电压有限制，若直流侧电压过高，则有可能由于晶闸管换流关断失败而导致逆变颠覆，这就限制了它们的应用。因此Dennis等人提出了一种基于晶闸管的新型回馈装置[22]。其主电路结构如图4所示。
主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母线换相器BC、电流调节器CR。其基本思想是当直流母线电压达到一定值时启动该装置，通过控制回馈电流的大小，将再生能量有效的回馈到电网中。为了避免整流与有源逆变在一点来回切换，回馈电流采用滞环控制方式。
该电路的工作原理如下:当直流母线电压达到一定值(如740V)时开通Q1，将能量回馈到电网，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。随着回馈电流的增加，当电流传感器检测到电流超过设定值时关断Q1，此时回馈电流开始下降，当电流降到下限设定值时再开通Q1，如此循环往复。母线换相器BC的作用有二:一是为晶闸管的换相提供零电压钳位，以保证它们可靠地关断;二是在紧急状态时为能耗制动提供回路。其中大功率晶体管Q2在每次晶闸管换相时都触发导通一次，即每600相位角导通一次，为晶闸管提供零电压钳位，这样就可以确保晶闸管可靠地换相，并可以省去强迫换流电路[22]。
该方案采用电流滞环控制回馈电流，为一大类负载提供了一种切实可行的拓扑方案，具有一定的通用性。其特点如下:
1) 可广泛应用于PWM交流传动的能量回馈制动场合，克服了晶闸管强迫换相对直流侧电压限制的缺点。2) 这种结构不产生任何异常的高次谐波电流成分，同时它控制方便，不需要辅助关断电路，是一种经济可行的方式。3) 通过在回路中增加电阻R1和开关Q2，提供了能耗制动的可选方式，可以实现紧急制动。
基于晶闸管的再生能量回馈系统的优点是:结构和控制简单，成本较低，耐压和耐浪涌电流的能力较强，在大容量的逆变装置中具有一定的优势。但是其缺点是显而易见的:它输入功率因数低;输入侧有高次谐波存在，谐波损耗大;需要复杂的辅助关断电路，从而使装置成本增加，体积增大，可靠性降低，动态响应慢。故一般用于较大容量和对系统动态性能和快速性要求不太高的场合。
4.2 全控器件型结构
全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有开关频率高、集成度高和动态响应快等优点。采用上述的全控型器件作为有源逆变的功率开关器件可以提高系统的效率，抑制谐波和机械噪声，这使得基于全控型器件的能量回馈控制系统已经成为研究的重点。目前国内外流行的控制方式仅对电流回路进行滞环控制[14-18]，虽然控制方式和控制电路比较简单，但系统的主要控制对象-回馈电流的控制精度难以保证，从而造成系统的动态性能和抗干扰性能较差，功能不够完善。
作者设计了一种全新的控制方案[25-28]，该方案采用PWM控制方式有效地克服了传统控制方式的缺陷，提高了系统的控制精度和动态性能。如图5所示。
回馈电流大小的控制是整个系统的核心环节。本系统创新之处是摈弃了传统的滞环控制方式，采用了PID技术和PWM控制技术，利用电压型PWM控制芯片SG3525A作为主控芯片进行闭环控制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，克服了采用滞环控制时回馈电流波形差、其高频分量大、控制不精确的缺限，提高了系统的控制精度、动态性能和抗干扰性能。
控制系统包括同步信号获取电路、电压检测与控制电路、电流检测与控制电路、以及故障检测、显示与保护电路。其中，同步信号电路是有源逆变的基础和关键，回馈电流的检测与控制则是系统的控制核心和难点。
同步信号获取电路采用同步变压器降压全波整流法获取。实验表明，该方法线路简单，精度高，可以很好地满足控制系统的要求。
电压检测和控制电路采用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。
电流检测及控制电路使回馈系统成为闭环控制系统。能量回馈过程中，首先要保证回馈电流的大小要满足回馈功率的要求。同时回馈电流的控制精度和纹波大小直接影响到系统的控制性能，因此对电流的实时检测与控制是一个非常关键的环节。本系统采用霍尔电流传感器对回馈电流进行检测，霍尔电流传感器的特点是体积小、响应速度快、准确度和线性度高，完全可以胜任电路的要求;采用PID调节器和SG3525A型PWM控制芯片进行脉宽调制，综合了滞环控制方式和PWM控制方式的优点，使系统能快速、准确地控制回馈能量。实验结果表明电流控制完全符合设计要求。
系统提供交/直流过压、欠压、过流、缺相、交直流快熔保护和IPM故障等齐全保护措施，以保证系统和电路的正常工作，减小故障情况下的损失。
采用新型功率器件-智能功率模块IPM是本系统的又一特色。IPM内部集成了高速、低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及过流、短路、欠压和过热保护电路，它提高了系统的性能和可靠性，降低了系统成本，缩短了产品开发周期，是值得推广的产品开发途径。
5 能量回馈技术的新发展--双PWM控制技术[23]
交-直-交电压型变频器的主电路输入侧一般是经三相不控桥式整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过PWM控制下的逆变器输入到交流电动机上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于采用三相桥式不控整流器使得功率因数低、网测谐波污染以及无法实现能量的再生利用等。消除对电网的谐波污染并提高功率因数，实现电机的四象限运行以构成变频技术不可回避的问题。为此，PWM整流技术的研究，新型单位功率因数变流器的开发，在国内外引起广泛的关注。传统的制动方法是在中间直流环节电容两端并联电阻消耗能量，这既浪费了能量，又不可靠，而且制动慢;或者设置一套三相有源逆变系统，但增加了变压器，加大了回馈装置的体积，增加了成本而且逆变电流波形畸变严重，电网污染重，功率因数低。而整流电路中采用自关断器件进行PWM控制，可是电网侧的输入电流接近正弦波并且功率因数达到1，可以彻底解决对电网的污染问题。
由PWM整流器和PWM逆变器无需增加任何附加电路，就可实现系统的功率因数约等于1，消除网侧谐波污染，能量双向流动，方便电机四象限运行，同时对于各种调速场合，使电机很快达到速度要求，动态响应时间短。图3位变频器双PWM控制结构，其中ia*、ib*、ic*是与电网电压ea、eb、ec具有同频同相位的电流信号，经PWM电流控制器与实际电流ia、、ib、ic比较生成6路PWM开关信号控制整流器中开关元件导通和关断，是实际电流跟随ia*、ib*、ic*、网侧功率因数约等于1。双PWM控制技术的工作原理:①当电机处于拖动状态时，能量由交流电网经整流器中间滤波电容充电，逆变器在PWM控制下降能量传送到电机;②当电机处于减速运行状态时，由于负载惯性作用进入发电状态，其再生能量经逆变器中开关元件和续流二极管向中间滤波电容充电，使中间直流电压升高，此时整流器中开关元件在PWM控制下降能量馈如到交流电网，完成能量的双向流动。同时由于PWM整流器闭环控制作用，使电网电流与电压同频同相位，提高了系统的功率因数，消除了网侧谐波污染。
双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，采用PWM整流器和PWM逆变器提高了系统功率因数，并且实现了电机的四象限运行，这给变频器技术增添了新的生机，形成了高质量能量回馈技术的最新发展动态。
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