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变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势
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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]:
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