回馈到交流电网的制动方式优化

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动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确制动，提高电动机的动态性能。这里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。

1.双PWM形式

（1）PWM回馈原理

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，并且实现了电动机的四象限运行，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。

图5-4所示为采用PWM整流的电压型变频器的系统构成图。它的主电路是普通的三相桥式电路，在电源输入侧接有滤波电感，以便使输入电流为正弦形。采用直流电压、输入电流双闭环控制。电流控制常采用追踪方式PWM，直流电压的控制采用比例积分（PI）控制。通过追踪式PWM技术，使用滞环比较器，使得实际电流锯齿状地追踪设定电流的变化。设定电流的波形是电源电压波形，为正弦形，其相位和电源电压同相位，同时相位也可以视需要而调整。设定电流的大小由直流电压调节器决定。直流电压调节器的输入为直流电压的误差信号，即直流电压的设定值和检测值之差。采用PI控制可以实现直流电压的无静差。

图5-4 双PWM控制的变频器构成图

（2）双PWM回馈形式一

VACON公司的CXR系列变频器就是采用双PWM的结构，能广泛应用于离心分离机、倾倒装置、起重机、重载传送装置等需要四象限运行的场合，如图5-5所示为CXR配置方案和波形图。

VACON CXR专为需要连续制动的场合开发。CXR产生的再生能量是无谐波的，可以被回馈给电源。它可以有效地补偿电源的功率因数。VACON CXR由两个同样（尺寸）的单元CXI组成，其中一个连接到电动机，另一个通过滤波器连接到电源。VACON CXI是一种以CX为基础的直流供电的PWM逆变器，它不包含整流桥。滤波器为LCL形成。两个CXI单元的直流回路相连。控制电动机的单元与VACON CX相同，其功能是：相同的控制面板、I/O连接和电动机控制。

图5-5 VACONCXR配置方案和波形图

（3）双PWM回馈形式二

为了解决电动机处于再生发电状态产生的再生能量，ABB、西门子公司已经推出了电动机四象限运行的双PWM型电压源交-直-交变频器。图5-6所示为ABB公司的ACS811系列四象限变频器示意图。(www.xing528.com)

图5-6 ACS811系列四象限变频器结构图

2.能量回馈单元

能量回馈单元的作用，就是取代原有的能耗电阻式制动单元，消除发热源，改善现场电气环境，可减少高温对控制系统等部件的不良影响，延长了生产设备的使用寿命。同时由于能量回馈单元，能有效地将变频器电容中储存的电能回送给交流电网，供周边其他用电设备使用，可节约生产用电，一般节电率可达20%～40%。

能量回馈单元已经有非常成熟的产品，如安川公司的VS-656RC5、日本富士公司的RHR系列和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。

能量回馈单元是带有再生功能和制动功能的能量回馈单元，与变频器配合使用，可以发挥出超群的节能效果。与制动电阻单元相比，VS-656RC5不仅节省空间，而且其制动效果更加明显。VS-656RC5的典型应用是应用在起重机、升降机、电梯、离心机、卷绕机等大功率反馈负载。

能量反馈单元具有如下特点：

1）降低运行成本，包括减少电能损耗、提高功率因数、改善电网运行质量等。

2）提高制动能力，如果以传统的标准制动电阻器与变频器的组合，制动转矩大约为120%额定转矩/10s，10%ED；而VS-656RC5与变频器的组合，制动转矩则提高到150%额定转矩/30s或者100%额定转矩/min（25%ED）或者80%额定转矩/连续再生。

能量回馈单元接线如图5-7所示。

图5-7 能量回馈单元接线

图5-6中，电抗器L₁的作用是用于电源协调，而电抗器L₂的作用则是用于电流抑制。当电动机处于电动状态时，电动功率方向是从三相电源经变频器的整流桥流出；当电动机处于发电状态时，发电功率方向则是从变频器的中间回路经能量回馈单元流向三相电源。