回馈制动的工作原理及实现方式分析

图2-40a所示，接入SCR有源逆变器（桥Ⅱ）可以将电动机再生制动时回馈到直流侧的有功能量回馈到交流电网。本小节用到的各种符号的意义如该图中所示。

分析图2-5可见，当输出频率为基频f₁=f_1N（f_1N为电机额定频率）时，变频器输出电压U₁=U_1N（U_1N为电机额定电压），并且U₁=U_1N是变频器变频过程中的最大可能输出电压。由基频向下或向上调速，输出电压都不会超出U_1N。这个最大可能值U_1N是由相应的直流回路电压U_C（U_C=U_CN）进而也是电网电压U_n（U_n=U_nN）提供的。可以得到结论：适配电机一旦选定，即U_1N为确定值时，U_CN及U_nN也是确定值。这是第一个基本事实（查阅表3-25变频器输出电压：0～电网电压。可见电机电压多高，电网电压也取多高）。另外，只要电动机处于电动状态下，无论频率多高，U_C的值等于U_CN不变；只有电动机处于制动状态，U_C的值才因有功能量向直流侧的回馈而由U_CN开始升高，这是第二个基本事实。基于上述事实我们来分析回馈制动的工作原理。

图2-40a中的SCR有源逆变器的控制角α＞90°（即β＜90°）时，可使电动机的制动能量回馈到交流电网。电动状态与回馈状态的转换是有条件的，回馈制动的实现，可以通过控制β角来实现。

图2-40 再生能量回馈的原理图和转矩特性

a）带变压器的SCR有源逆变回馈电路 b）转矩特性T=F（f）

1—矢量控制电动运行 2—矢量控制制动运行和U/f控制电动、制动运行

负载电动机电动时，图2-40a中仅正向桥Ⅰ应导通。由于Ⅰ桥是不可控的二极管桥，为了防止电源经Ⅰ、Ⅱ两个桥短路而出现直流环流，则应将

U_dⅡ＞U_C

作为控制条件。按常规取β_min=30°，则

U_dⅡ=U_dⅡM=1.35U_nⅡcosβ_min=0.866×（1.35U_nⅡ）

而

U_C=U_CN=1.35U_nⅠ

显然，为使U_dⅡ＞U_C，必须使U_nⅡ＞U_nⅠ。可见图2-40a中升压变压器T是必不可少的。如果U_nⅠ=U_nN，则U_nⅡ＞U_nN（U_nN为电网额定电压）。负载电动机制动时，直流回路电容器上的电压U_C升高，当U_C＞U_nⅠ（电容器上直流脉动电压的最大可能值）时，桥Ⅰ便截止，这时将SCR有源逆变器“投入”，可以产生逆变电流，将能量回馈到电网，并且因桥Ⅰ截止，不会出现直流环流而导致有源逆变的失败（颠覆）。

所谓有源逆变“投入”，即将β角加大，由β_min变成一个新的β角。此时，应保证

U_dⅡ=1.35U_nⅡcosβ＜U_C只有这样，SCR有源逆变器才可以进入有源逆变状态。而电动时，β=β_min，SCR有源逆变器不产生逆变电流，实质上并没有“投入”，可以理解为一种待回馈状态。这与常规“待逆变”状态是有区别的。

以上所述的情况，需要接入升压变压器和限环流电抗器，装置体积变大，成本提高。图2-41中的“再生回馈”部分属于这种控制方式。(www.xing528.com)

实践中，西门子公司曾给出过前面图2-32的不用升压变压器及环流电抗器的方案。实际上，这是一种无环流反并联方案。桥Ⅰ改成了SCR全控桥。

由于不用升压变压器，两桥网侧电压均为U_nN。对于桥Ⅱ，当β=β_min=30°时

负载电动机电动时，仍应保证控制条件

这只能通过减小U_C来实现。实际方案中，选择了U_C=0.85U_CN。这是通过控制桥Ⅰ的α角来实现的。

相当于α_min=31.8°，类似于SCR-直流电动机可逆系统中的α略大于β控制方式，目的是避免直流环流。

这样选择U_C电压，相当于变频器输出85%基频频率时，直流回路电压U_C已达最大值。当频率高于85%时，电动机电压不再随之升高，处于弱磁状态，电动机电磁转矩将减小。

这种方案下，得到的转矩特性如图2-40b所示。采用U/f控制方式时，无论负载电动机是电动，还是制动，转矩特性均如图中曲线2所示；采用矢量变换控制方式进行闭环控制时，利用图2-32中桥Ⅰ的可控性，可以使电动状态下转矩特性如图2-40b中的曲线1所示，而制动状态下的转矩特性如曲线2所示。

为了补偿电动机的电压不足，或者说补偿电动机的转矩损失，可以不再遵循本小节第二自然段所述“电动机电压多高，电网电压也取多高”的方法（对桥Ⅰ采用二极管情况，必须采用该方法），适当地提高电网电压。这样可以防止电动机电压的不足，补偿转矩损失。例如，用500V的电网通过变频器向400V的电动机供电。由于Ⅰ、Ⅱ两桥均是全控桥。适当协调桥Ⅰ的α和桥Ⅱ的β，可以得到对转矩的全补偿。

至于利用图2-32实现回馈制动的物理过程类似于图2-40a。保持α_Ⅰ不变，通过控制β_Ⅱ角去实现。

两种方案相比较，各有利弊。第一种方案较常用。注意防止回馈过程中逆变电流的断续，以减小电网谐波成分，可以通过控制U_dⅡ与U_C之间的合理差值来实现。第二种方案，正向桥Ⅰ由二极管桥改成晶闸管全控桥，导致网侧功率因数下降，谐波成分增加，控制也变得相对复杂。但是，可不用升压变压器及限环流电抗器。共同的优点是，可以回收制动能量，提高系统的效率，特别是对位能负载等，节能十分可观。

应该注意，只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网压降不大于10%），才可以采用这种回馈制动方式。在发电制动运行时，电网电压故障时间大于2ms，则可能发生换相失败，烧坏熔断器。对于接触式供电的电机车，应特别防止接触的间断，如果不能保证这一点，建议采用脉冲电阻制动方式，以保证可靠性。

图2-33所示的利用斩控式整流器进行回馈制动的情况，性能优于NGP（见图2-32）方式，但控制复杂，成本高。由于性能最好，在实际中已逐步开始采用。

目前，各通用变频器厂家，都推出了PWM整流器，作为选购器件由用户选择，价格相对较高。我国近几年引进的轧钢生产线，均采用了这种方案。西门子称之为“AFE”，（Active Front End）。