泵升电压保护电路的设计和应用

1.泵升电压

在三相桥式电压型逆变电路中，电网对伺服控制系统的能量供给是单向的，电动机在减速和制动过程中，将储存在电动机转子上的机械能转换为电能回馈给伺服装置，这些能量一般储存在储能电容元件中。而储能电容不会消耗能量，这样就会造成能量积累，如不及时将这些能量释放，会使直流侧电压升高，一则可能损坏逆变器的大功率器件，二则可能损坏储能元件。升高的这部分电压称为泵升电压，如图3-10所示。

图3-10 泵升电压

图3-10中，在整个制动过程中，转速由n降到0，回馈的能量储存在电容器中，在这期间直流侧维持一个反向电流，由于没有限制电压升高的措施，U_d升高很大，而且在电动机停车后相当长的时间内电压才能降下来。

2.保护电路

保护电路由一个功率开关器件V₀（如IGBT）和泄放电阻R₀及相应的控制回路组成，如图3-11所示。图中，当直流母线电压上升到一定值时，控制回路使得V₀导通，能量由R₀释放，从而使得电容器上端电压下降，当下降到一定值时，系统发指令关闭V₀，泻放回路停止工作，完成泵升电压保护功能。

对于频繁制动或正反转的应用来说，泄放电阻不仅消耗电能，而且自身也会严重发热，因此不利于设备保护。另外，由于二极管整流不可控且功率因数很低，导致谐波污染严重。因此，一类具有能量双向流动且功率因数可控的整流单元，越来越引起人们的重视，如图3-12所示。在AC电源整流单元，通过采用可控功率器件，并且加以整流PWM控制，不仅可以把再生能量回馈给电网，而且提高了功率因数，降低了电网的谐波污染。

图3-11 带泄放电阻的泵升电压保护电路

图3-12 带功率因数控制的泵升电压保护电路

3.泄放电阻的计算

使用泄放电阻是目前采取最广泛的限制泵升电压的措施。下面，通过进行加、减速运行，来计算泄放电阻的容量，如图3-13所示。

图3-13 伺服加减速过程

图3-13中，在一个运行周期T内，从0时刻起转速由0加速到n_M，并恒速运行，此时电动机所受负载转矩为T_L，运行一段时间后，转速开始下降，经过t_D降到0，最后在到达T时刻后，开始进行下一个运行周期的加减速过程。(www.xing528.com)

电阻容量计算的过程如下：

①计算伺服系统的旋转能量E_j：

E_j=Jω²/2 （3-8）

②确定减速期间负载消耗能量E_L：

需要注意，如果减速是在第四象限内运行，E_L的结果是负值；当负载系统的消耗不明确时，可以认为E_L=0。

③电容可能吸收的能量E_C：

E_C=（U²₁-U²_e）×C/2 （3-9）

式中 U₁——直流母线最高允许电压值；

U_e——额定直流电压。

④电阻消耗的能量E_K：

E_K=E_j-（E_L+E_C） （3-10）

⑤电阻需要最小容量W_K：

W_K=E_K/T （3-11）

选择电阻容量规格时，要留有裕量，通常是几倍的W_K。

⑥电阻阻值R：

R=U²₁/W_K （3-12）