TEFU能量回饋單元基本原理及應(yīng)用

0 引言

在變頻器電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)的負(fù)載是位能式負(fù)載，如油田抽油機(jī)、礦用提升機(jī)等，或大慣量負(fù)載，如風(fēng)機(jī)、水泥制管、動(dòng)平衡機(jī)等，以及軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、機(jī)床主軸等需要快速制動(dòng)類負(fù)載時(shí)，電機(jī)都不可避免地存在發(fā)電過(guò)程，即電機(jī)轉(zhuǎn)子在外力的拖動(dòng)或負(fù)載自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的維持下，使得電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于變頻器輸出的同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)所發(fā)出的電能，將會(huì)通過(guò)變頻器逆變橋的續(xù)流二極管組成的三相整流電路，儲(chǔ)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(huì)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻，將這部分電能消耗在電阻上變成熱能浪費(fèi)掉，而采用TEFU系列產(chǎn)品完全可以替代制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，并且可以將這部分能量回饋給電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用，實(shí)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(shù)，使得回饋電網(wǎng)的電流波形畸變率5%。

1 電機(jī)再生能量的幾種常用處理辦法

在電機(jī)傳動(dòng)領(lǐng)域中，當(dāng)電機(jī)快速制動(dòng)或被其他力量拖動(dòng)而工作在再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，為避免變頻器出現(xiàn)過(guò)流或過(guò)壓故障跳閘，需要采取一些措施來(lái)處理電機(jī)的再生發(fā)電能量。

1)采用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，制動(dòng)單元的工作原理是通過(guò)檢測(cè)變頻器的直流母線電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)再生能量的處理。當(dāng)直流母線電壓超過(guò)某一設(shè)定數(shù)值(如680 V)時(shí)，打開(kāi)制動(dòng)單元的開(kāi)關(guān)將大功率制動(dòng)電阻連接到直流母線上，釋放儲(chǔ)存在變頻器內(nèi)濾波電容上的電能，此時(shí)電阻將電能轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉，制動(dòng)能量被白白浪費(fèi)，效率很低。采用這種方式時(shí)，投資較少，性能上的缺點(diǎn)是制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間慢，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足。

2)在變頻器的直流母線上并聯(lián)超級(jí)大電容，這種方式的原理如圖1所示。其原理是將電機(jī)制動(dòng)時(shí)的再生能量?jī)?chǔ)存在足夠大的超級(jí)電容器中，當(dāng)電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀況時(shí)，又將儲(chǔ)存在超級(jí)大電容中的電能利用，因此，這樣的方式效率最高，基本沒(méi)有損耗，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)99%以上(不考慮電機(jī)的發(fā)電效率)。但是這種策略存在的致命缺點(diǎn)是電容的容量一般在法拉級(jí)，受制造工藝和材料的限制，超級(jí)大電容體積非常龐大，價(jià)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(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)中某臺(tái)電機(jī)處在再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，它所發(fā)出的電能可以被處于電動(dòng)狀態(tài)的其他電機(jī)所利用。但是這種方案僅適用于多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，而且要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機(jī)容量要遠(yuǎn)小于工作在電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)容量，應(yīng)用有一定的局限性。

由以上分析可見(jiàn)，不管采用上述何種方法處理電機(jī)的再生發(fā)電能量，都會(huì)或多或少地存在一些問(wèn)題，不是耗能就是價(jià)格昂貴或者應(yīng)用范圍受限。針對(duì)以上問(wèn)題，很多學(xué)者都在研究能量回饋問(wèn)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(guò)自動(dòng)檢測(cè)變頻器的直流母線電壓，采用正弦波電流跟蹤技術(shù)，將變頻器直流環(huán)節(jié)的直流電壓逆變成與電網(wǎng)電壓同頻同相的三相交流電壓，經(jīng)多重噪聲濾波后連接到交流電網(wǎng)。從而達(dá)到能量回饋的目的，并且實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)回饋，回饋到電網(wǎng)的電能達(dá)到電機(jī)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4 所示。這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很容易做到控制交流側(cè)和直流側(cè)之間有功功率和無(wú)功功率的交換。所謂正弦波電流跟蹤技術(shù)是指圖4 中將電網(wǎng)電壓的正弦波信號(hào)作為回饋電流的指令信號(hào)，通過(guò)閉環(huán)控制使得回饋電流波形跟蹤電網(wǎng)電壓信號(hào)的波形，從而實(shí)現(xiàn)回饋電流的正弦特性，減小回饋電流的畸變率。

3 實(shí)驗(yàn)波形

從下面的實(shí)驗(yàn)波形中，可以看到該能量回饋單元可以很好地處理電機(jī)再生發(fā)電的能量，同時(shí)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(shí)某一相的相電壓和回饋的相電流，圖中光滑的波形是電網(wǎng)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(shí)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(dòng)時(shí)變頻器直流母線電壓迅速上升，達(dá)到690 V

時(shí)，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(nèi)，變頻器的停車時(shí)間約在0.6 s，回饋單元響應(yīng)迅速(2 ms以內(nèi))，制動(dòng)力矩大。

4 應(yīng)用

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

B2016A 型龍門刨床是機(jī)械加工初用的大型機(jī)床，是制造重型設(shè)備不可缺少的工作母機(jī)，主要用來(lái)加工大型工件的各種平面、斜面和槽，在機(jī)加行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。由于技術(shù)的限制，五六十年代的龍門刨床工作臺(tái)的拖動(dòng)采用了電機(jī)擴(kuò)大機(jī)—直流發(fā)電機(jī)—直流電動(dòng)機(jī)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(duì)河北某加工廠的B2016A 型龍門刨床進(jìn)行了變頻改造，改造方案是采用時(shí)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻方案。將這兩種方案進(jìn)行對(duì)比，采用回饋單元的方案比采用制動(dòng)單元和制動(dòng)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(yùn)行穩(wěn)定，可靠性高，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)

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

5 結(jié)語(yǔ)

采用正弦波電流跟蹤技術(shù)研制的TEFU 系列能量回饋單元，具有自動(dòng)識(shí)別電網(wǎng)相序，有過(guò)流、過(guò)熱、短路等全面保護(hù)功能，是一款綠色環(huán)保的節(jié)能產(chǎn)品。

從控制性能指標(biāo)上看本產(chǎn)品還有改進(jìn)之處，如可以采用空間電壓矢量控制SVPWM 調(diào)制技術(shù)產(chǎn)生純凈的正弦波回饋電流等。

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