1 引言
 變頻調(diào)速技術(shù)涉及電子、電工、信息與控制等多個學(xué)科領(lǐng)域。采用變頻調(diào)速技術(shù)是節(jié)能降耗、改善控制性能、提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的重要途徑，已在應(yīng)用中取得了良好的應(yīng)用效果和顯著的經(jīng)濟效益[1]。但是，在對調(diào)速節(jié)能的一片贊譽中，人們往往忽視了進一步挖掘變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能潛力和提高效率的問題。事實上，從變頻器內(nèi)部研究和設(shè)計的方面看，應(yīng)用或?qū)で竽囊环N控制策略可以使變頻驅(qū)動電機的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產(chǎn)機械儲存的能量及時高效地回饋到電網(wǎng)？這正是提高效率的兩個重要途徑。第一個環(huán)節(jié)是通過變頻調(diào)速技術(shù)及其優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)"按需供能"，即在滿足生產(chǎn)機械速度、轉(zhuǎn)矩和動態(tài)響應(yīng)要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個環(huán)節(jié)是將由生產(chǎn)機械中儲存的動能或勢能轉(zhuǎn)換而來的電能及時地、高效地"回收"到電網(wǎng)，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網(wǎng)，一方面是節(jié)能降耗，另一方面是實現(xiàn)電動機的精密制動，提高電動機的動態(tài)性能。本文討論的就是變頻調(diào)速系統(tǒng)節(jié)能控制的第二個環(huán)節(jié)－變頻調(diào)速能量回饋控制技術(shù)。在能源資源日趨緊張的今天，這項研究無疑具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 通用變頻器在應(yīng)用中存在的問題
 通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數(shù)高、效率高、精度高、調(diào)速范圍寬，所以在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。但是通用變頻器不能直接用于需要快速起、制動和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)，如高速電梯、礦用提升機、軋鋼機、大型龍門刨床、卷繞機構(gòu)張力系統(tǒng)及機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)等。因為這種系統(tǒng)要求電機四象限運行，當(dāng)電機減速、制動或者帶位能性負(fù)載重物下放時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全工作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍[2]。

3 國內(nèi)外能量回饋技術(shù)研究現(xiàn)狀
　　為了解決電動機處于再生發(fā)電狀態(tài)產(chǎn)生的再生能量，德國西門子公司已經(jīng)推出了電機四象限運行的電壓型交-直-交變頻器，日本富士公司也成功研制了電源再生裝置，如RHR系列、FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外圍裝置，可并聯(lián)到變頻器的直流側(cè)，將再生能量回饋到電網(wǎng)中[3]。同時，已見到國外有四象限電壓型交－直－交變頻器及電網(wǎng)側(cè)脈沖整流器等的研制報道[4-9]。普遍存在的問題是這些裝置價格昂貴，再加上一些產(chǎn)品對電網(wǎng)的要求很高，不適合我國的國情。國內(nèi)在中小容量系統(tǒng)中大都采用能耗制動方式[10-13]，即通過內(nèi)置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現(xiàn)電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴(yán)重缺點[14-18]:
(1) 浪費能量，降低了系統(tǒng)的效率。(2) 電阻發(fā)熱嚴(yán)重，影響系統(tǒng)的其他部分正常工作。(3) 簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產(chǎn)生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動力矩大，調(diào)速范圍寬，動態(tài)性能好)。
上述缺點決定了能耗制動方式只能用于幾十kW以下的中小容量系統(tǒng)。國內(nèi)關(guān)于能量回饋控制的研究正在進行，但基本上都處于實驗階段，目前已經(jīng)見到有關(guān)的文獻報道[14-18]，但尚未見這方面產(chǎn)品的報道。

4 能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　按照所選用的功率開關(guān)器件的不同，能量回饋系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為半控器件型結(jié)構(gòu)和全控器件型結(jié)構(gòu)兩大類。
4.1 半控器件型(晶閘管型)結(jié)構(gòu)
　　由于晶閘管的耐壓、耐流、耐浪涌沖擊能力是全控型功率器件所無法比擬的，加之驅(qū)動、保護電路簡單，價格低廉等原因，采用晶閘管構(gòu)成有源逆變電路在七、八十年代獲得人們普遍的研究，即使在現(xiàn)階段也仍有一定的實際意義。下面將要介紹幾種基于晶閘管的有源逆變電路的結(jié)構(gòu)、基本原理以及優(yōu)、缺點的對比。
(1) 可控整流-可控有源逆變型
　　該方式是人們早期研究的一種方案?；舅悸肥窃诳煽卣鳂虻幕A(chǔ)上再反并聯(lián)一套有源逆變裝置，當(dāng)電動機處于電動狀態(tài)時，整流橋T’1~T’6工作;而當(dāng)電動機處于發(fā)電狀態(tài)時，隨著直流回路電壓的升高，三相可控整流器被封鎖，三相可控有源逆變器T1~T6工作，將能量回饋到電網(wǎng)中，同時該方式有效的阻斷了環(huán)流的發(fā)生。其主回路結(jié)構(gòu)如圖2所示。
眾所周知，在晶閘管逆變電路中，為保證逆變器換流的可靠性，對逆變角β有一定的限制，即βmin=300，同時為滿足有源逆變的條件，避免直流環(huán)流，還應(yīng)使變頻器的最高直流側(cè)電壓Udmax小于逆變電壓Uβmin，即:
(1)
　　式中:E為電源相電壓有效值， △Um為允許的最高泵升電壓。由(1)式可知，αmin應(yīng)大于βmin。于是帶來了兩個問題:
1) 較大的αmin將引起波形畸變干擾電網(wǎng)，并降低了電網(wǎng)的功率因數(shù)。
2) 直流回路電壓降低將使常規(guī)380V交流電機得不到充分利用。
為此人們又提出了一種可行的解決辦法，就是將有源逆變器通過升壓變壓器與電網(wǎng)相連，整流電路改為不可控。顯然，波形和功率因數(shù)都可得到改善，升壓變壓器可以切斷上下橋臂產(chǎn)生的直流環(huán)流，同時為了限制交流環(huán)流以及滿足有源逆變條件在電路中設(shè)置了電抗器，但它又有如下缺點:
1) 增加的變壓器和環(huán)流電抗器使裝置的成本提高、體積增大。
2) 因只要Uα< Uβ就會啟動逆變裝置，使逆變橋頻繁工作，損耗增加;由于逆變電流較小，會使電流斷續(xù)而造成電網(wǎng)電流波形畸變，產(chǎn)生高次諧波，使功率因數(shù)降低。
雖然可以采用電壓、電流滯環(huán)控制方法來克服這一缺陷，但所有的控制均基于對逆變角β的控制，這就大大增加了β角的控制難度。特別是在發(fā)生誤觸發(fā)時，沒有有效的方法防止有源逆變器顛覆而產(chǎn)生的短路電流。
(2) 可控整流/有源逆變復(fù)用型
　　Keiju.Matsui 等人提出了以下幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[18-19]，其基本思路是利用一套可控整流橋既完成整流，又實現(xiàn)有源逆變，這樣就可以減小裝置的體積，降低成本。
1) 多脈寬調(diào)制(MPWM)方式
主電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用一個電抗器和一個大功率晶體管作為能量暫存環(huán)節(jié)。α<900時，晶閘管S1~S6工作在整流狀態(tài)，Tr和Th不工作，電抗器L‘起續(xù)流作用;逆變時，α>900(β<900)，一旦交流線電壓降為零，先開通大功率晶體管Tr，將能量暫時存在電感L中，當(dāng)電流達(dá)到 Tr的整定值時，關(guān)閉Tr，同時開通Th，由于電感L的續(xù)流作用，能量就通過晶閘管T?~T? 流回電網(wǎng)，周而復(fù)始，就可以將再生能量回饋電網(wǎng)。二極管D 的作用是防止直流回路的短路電流通過Th流入電抗器L中。
這種方案的優(yōu)點是巧妙地利用一個整流橋同時實現(xiàn)整流和有源逆變兩種功能，結(jié)構(gòu)簡單，體積較小。缺點是它的輸出波形包含大量的低次奇次諧波，噪聲大，同時能量回饋過程間斷進行，回饋效率低，能量損耗較大，功率因數(shù)低。
為減少MPWM輸出波形包含的低次奇次諧波，進一步改善電路的結(jié)構(gòu)，Keiju.Matsui等人提出了SPWM方式[20,21]。
2) 正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)方式
　　該方式控制電路僅采用一只晶體管來實現(xiàn)能量的回饋控制，使電路的結(jié)構(gòu)更加簡單，且有效的抑制了低次諧波，但它需要晶閘管S1~S6的協(xié)調(diào)配合，同時該方案的開關(guān)損耗較大，能量回饋過程是間斷進行的。為了獲得連續(xù)的電流波形，Keiju.Matsui等人又提出了一種新的方案，即MCC方式。
3) 可調(diào)的庫克(MCC)方式
　　該方案是在MPWM方式的基礎(chǔ)上增加一只大型電容器，通過控制電容器的充放電來保證能量回饋過程的連續(xù)，工作原理同MPWM一樣，先將再生能量儲存在電感中，待條件滿足后再將能量回饋到電網(wǎng)中。
該方案的優(yōu)點是可以連續(xù)的回饋再生能量，保證了電流的連續(xù)性，從而使回饋的功率較高，開關(guān)損耗較小，但由于引人了大型電容器，使裝置體積增大，成本提高，同時該電路輸出電流波形包含較大的低次奇次諧波成分，易造成負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈動、噪聲較大。
(3) 滯環(huán)控制斬波-逆變回饋方式
 上述幾種方案雖然都能實現(xiàn)能量回饋控制，但其缺點是顯而易見的，同時由于晶閘管存在強迫換流關(guān)斷的問題，導(dǎo)致對直流側(cè)電壓有限制，若直流側(cè)電壓過高，則有可能由于晶閘管換流關(guān)斷失敗而導(dǎo)致逆變顛覆，這就限制了它們的應(yīng)用。因此Dennis等人提出了一種基于晶閘管的新型回饋裝置[22]。其主電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。  主回路主要包括三部分:同步整流器SR、母線換相器BC、電流調(diào)節(jié)器CR。其基本思想是當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值時啟動該裝置，通過控制回饋電流的大小，將再生能量有效的回饋到電網(wǎng)中。為了避免整流與有源逆變在一點來回切換，回饋電流采用滯環(huán)控制方式。
該電路的工作原理如下:當(dāng)直流母線電壓達(dá)到一定值(如740V)時開通Q1，將能量回饋到電網(wǎng)，同步整流器SR以a=1800的固定相位角工作。隨著回饋電流的增加，當(dāng)電流傳感器檢測到電流超過設(shè)定值時關(guān)斷Q1，此時回饋電流開始下降，當(dāng)電流降到下限設(shè)定值時再開通Q1，如此循環(huán)往復(fù)。母線換相器BC的作用有二:一是為晶閘管的換相提供零電壓鉗位，以保證它們可靠地關(guān)斷;二是在緊急狀態(tài)時為能耗制動提供回路。其中大功率晶體管Q2在每次晶閘管換相時都觸發(fā)導(dǎo)通一次，即每600相位角導(dǎo)通一次，為晶閘管提供零電壓鉗位，這樣就可以確保晶閘管可靠地?fù)Q相，并可以省去強迫換流電路[22]。
該方案采用電流滯環(huán)控制回饋電流，為一大類負(fù)載提供了一種切實可行的拓?fù)浞桨?，具有一定的通用性。其特點如下:
1) 可廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合，克服了晶閘管強迫換相對直流側(cè)電壓限制的缺點?！　?) 這種結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，同時它控制方便，不需要輔助關(guān)斷電路，是一種經(jīng)濟可行的方式。3) 通過在回路中增加電阻R1和開關(guān)Q2，提供了能耗制動的可選方式，可以實現(xiàn)緊急制動。
基于晶閘管的再生能量回饋系統(tǒng)的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)和控制簡單，成本較低，耐壓和耐浪涌電流的能力較強，在大容量的逆變裝置中具有一定的優(yōu)勢。但是其缺點是顯而易見的:它輸入功率因數(shù)低;輸入側(cè)有高次諧波存在，諧波損耗大;需要復(fù)雜的輔助關(guān)斷電路，從而使裝置成本增加，體積增大，可靠性降低，動態(tài)響應(yīng)慢。故一般用于較大容量和對系統(tǒng)動態(tài)性能和快速性要求不太高的場合。
4.2 全控器件型結(jié)構(gòu)
　　全控型器件如GTR、MOSFET、IGBT或IPM具有開關(guān)頻率高、集成度高和動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點。采用上述的全控型器件作為有源逆變的功率開關(guān)器件可以提高系統(tǒng)的效率，抑制諧波和機械噪聲，這使得基于全控型器件的能量回饋控制系統(tǒng)已經(jīng)成為研究的重點。目前國內(nèi)外流行的控制方式僅對電流回路進行滯環(huán)控制 [14-18]，雖然控制方式和控制電路比較簡單，但系統(tǒng)的主要控制對象-回饋電流的控制精度難以保證，從而造成系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾性能較差，功能不夠完善。
作者設(shè)計了一種全新的控制方案[25-28]，該方案采用PWM控制方式有效地克服了傳統(tǒng)控制方式的缺陷，提高了系統(tǒng)的控制精度和動態(tài)性能。如圖5所示。
回饋電流大小的控制是整個系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)創(chuàng)新之處是擯棄了傳統(tǒng)的滯環(huán)控制方式，采用了PID技術(shù)和PWM控制技術(shù)，利用電壓型PWM控制芯片 SG3525A作為主控芯片進行閉環(huán)控制，綜合了滯環(huán)控制方式和PWM控制方式的優(yōu)點，克服了采用滯環(huán)控制時回饋電流波形差、其高頻分量大、控制不精確的缺限，提高了系統(tǒng)的控制精度、動態(tài)性能和抗干擾性能。
　　控制系統(tǒng)包括同步信號獲取電路、電壓檢測與控制電路、電流檢測與控制電路、以及故障檢測、顯示與保護電路。其中，同步信號電路是有源逆變的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，回饋電流的檢測與控制則是系統(tǒng)的控制核心和難點。
 同步信號獲取電路采用同步變壓器降壓全波整流法獲取。實驗表明，該方法線路簡單，精度高，可以很好地滿足控制系統(tǒng)的要求。
　　電壓檢測和控制電路采用高速高線性度光電耦合器TLP559將直流母線電壓線性地變?yōu)槿蹼妷盒盘枺撔盘柦?jīng)變換后為回饋電流提供控制信號，以決定是否開啟逆變裝置進行能量回饋。
　　電流檢測及控制電路使回饋系統(tǒng)成為閉環(huán)控制系統(tǒng)。能量回饋過程中，首先要保證回饋電流的大小要滿足回饋功率的要求。同時回饋電流的控制精度和紋波大小直接影響到系統(tǒng)的控制性能，因此對電流的實時檢測與控制是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用霍爾電流傳感器對回饋電流進行檢測，霍爾電流傳感器的特點是體積小、響應(yīng)速度快、準(zhǔn)確度和線性度高，完全可以勝任電路的要求;采用PID調(diào)節(jié)器和SG3525A型PWM控制芯片進行脈寬調(diào)制，綜合了滯環(huán)控制方式和 PWM控制方式的優(yōu)點，使系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地控制回饋能量。實驗結(jié)果表明電流控制完全符合設(shè)計要求。
　　系統(tǒng)提供交/直流過壓、欠壓、過流、缺相、交直流快熔保護和IPM故障等齊全保護措施，以保證系統(tǒng)和電路的正常工作，減小故障情況下的損失。
　　采用新型功率器件-智能功率模塊IPM是本系統(tǒng)的又一特色。IPM內(nèi)部集成了高速、低耗的IGBT芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動及過流、短路、欠壓和過熱保護電路，它提高了系統(tǒng)的性能和可靠性，降低了系統(tǒng)成本，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，是值得推廣的產(chǎn)品開發(fā)途徑。

5 能量回饋技術(shù)的新發(fā)展--雙PWM控制技術(shù)[23]
　　交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側(cè)一般是經(jīng)三相不控橋式整流器向中間直流環(huán)節(jié)的濾波電容充電，然后通過PWM控制下的逆變器輸入到交流電動機上。雖然這樣的電路成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，但是由于采用三相橋式不控整流器使得功率因數(shù)低、網(wǎng)測諧波污染以及無法實現(xiàn)能量的再生利用等。消除對電網(wǎng)的諧波污染并提高功率因數(shù)，實現(xiàn)電機的四象限運行以構(gòu)成變頻技術(shù)不可回避的問題。為此，PWM整流技術(shù)的研究，新型單位功率因數(shù)變流器的開發(fā)，在國內(nèi)外引起廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的制動方法是在中間直流環(huán)節(jié)電容兩端并聯(lián)電阻消耗能量，這既浪費了能量，又不可靠，而且制動慢;或者設(shè)置一套三相有源逆變系統(tǒng)，但增加了變壓器，加大了回饋裝置的體積，增加了成本而且逆變電流波形畸變嚴(yán)重，電網(wǎng)污染重，功率因數(shù)低。而整流電路中采用自關(guān)斷器件進行PWM控制，可是電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波并且功率因數(shù)達(dá)到1，可以徹底解決對電網(wǎng)的污染問題。
　　由PWM整流器和PWM逆變器無需增加任何附加電路，就可實現(xiàn)系統(tǒng)的功率因數(shù)約等于1，消除網(wǎng)側(cè)諧波污染，能量雙向流動，方便電機四象限運行，同時對于各種調(diào)速場合，使電機很快達(dá)到速度要求，動態(tài)響應(yīng)時間短。圖3位變頻器雙PWM控制結(jié)構(gòu)，其中ia*、ib*、ic*是與電網(wǎng)電壓ea、eb、ec具有同頻同相位的電流信號，經(jīng)PWM電流控制器與實際電流ia、、ib、 ic比較生成6路PWM開關(guān)信號控制整流器中開關(guān)元件導(dǎo)通和關(guān)斷，是實際電流跟隨ia*、ib*、ic*、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)約等于1。雙PWM控制技術(shù)的工作原理:①當(dāng)電機處于拖動狀態(tài)時，能量由交流電網(wǎng)經(jīng)整流器中間濾波電容充電，逆變器在PWM控制下降能量傳送到電機;②當(dāng)電機處于減速運行狀態(tài)時，由于負(fù)載慣性作用進入發(fā)電狀態(tài)，其再生能量經(jīng)逆變器中開關(guān)元件和續(xù)流二極管向中間濾波電容充電，使中間直流電壓升高，此時整流器中開關(guān)元件在PWM控制下降能量饋如到交流電網(wǎng)，完成能量的雙向流動。同時由于PWM整流器閉環(huán)控制作用，使電網(wǎng)電流與電壓同頻同相位，提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，消除了網(wǎng)側(cè)諧波污染。
　　雙PWM控制技術(shù)打破了過去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，并且實現(xiàn)了電機的四象限運行，這給變頻器技術(shù)增添了新的生機，形成了高質(zhì)量能量回饋技術(shù)的最新發(fā)展動態(tài)。