能量回馈单元原理及应用

能量回馈单元基本原理及应用
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单升华
北京时代新纪元技术有限公司，北京100085
摘要 TEFU系列能量回馈单元是与通用变频器配套使用的设备，采用正弦波电流跟踪技术，它
主要应用于往复运动、频繁正反转和快速停车的场合，如油田抽油机、电梯、卷绕设备、大型龙门
刨床、机床主轴等。

与通常采用制动单元和制动电阻的方式相比，能量回馈单元可以显著节能，并
且制动转矩响应动作迅速，是一款绿色、环保、节能的产品。

介绍了它的基本原理、试验波形及应
用。

关键字正弦波电流跟踪；制动转矩；响应时间；节能
The Basic Theory and Application of TEFU Series Energy Feedback Unit
SHAN Shenghua
Beijing New Century Technologies Co. Ltd.，Beijing 100085 China Abstract TEFU series energy feedback unit is a device that is used with general inverter, the sine wave current tracking technology is adopted. The fields of application include reciprocation,often changing direction and rapid brake,such as take out oil machine,elevator,winding device,large planer,principal axis etc. It can save more energy compared with brake unit and brake resistor,and the brake torque is bigger. It is a green, safeguard inviroment and save energy product. It's basic theory,test waves and applications
is introduced.
Keywords sine wave current tracking technology；brake torque；response time；save enengy
0 引言
在变频器电气传动系统中，当电机的负载是位能式负载，如油田抽油机、矿用提升机等，或大惯量负载，如风机、水泥制管、动平衡机等，以及轧钢机、大型龙门刨床、机床主轴等需要快速制动类负载时，电机都不可避免地存在发电过程，即电机转子在外力的拖动或负载自身转动惯量的维持下，使得电机的实际转速大于变频器输出的同步转速，电机所发出的电能，将会通过变频器逆变桥的续流二极管组成的三相整流电路，储存在变频器的直流母线的滤波电容中。

如果不把这部分能量消耗掉，直流母线电压就会
迅速升高，影响变频器的正常工作。

通常处理这部分能量的方法是增加制动单元和制动电阻，将这部分电能消耗在电阻上变成热能浪费掉，而采用TEFU系列产品完全可以替代制动单元和制动电阻，并且可以将这部分能量回馈给电网，供其他设备使用，实现绿色、环保、节能的目的。

本文介绍的TEFU系列能量回馈单元提出了一种正弦波电流跟踪技术，使得回馈电网的电流波形畸变率<5%。

1 电机再生能量的几种常用处理办法
在电机传动领域中，当电机快速制动或被其他力量拖动而工作在再生发电状态时，为避免变频器出现过流或过压故障跳闸，需要采取一些措施来处理电机的再生发电能量。

1）采用制动单元和制动电阻，制动单元的工作原理是通过检测变频器的直流母线电压来实现对再生能量的处理。

当直流母线电压超过某一设定数值（如680 V）时，打开制动单元的开关将大功率制动电阻连接到直流母线上，释放储存在变频器内滤波电容上的电能，此时电阻将电能转变成热能消耗掉，制动能量被白白浪费，效率很低。

采用这种方式时，投资较少，性能上的缺点是制动响应时间慢，制动转矩不足。

2）在变频器的直流母线上并联超级大电容，这种方式的原理如图1所示。

其原理是将电机制动时的再生能量储存在足够大的超级电容器中，当电机工作在电动机状况时，又将储存在超级大电容中的电能利用，因此，这样的方式效率最高，基本没有损耗，转换效率可达99%以上（不考虑电机的发电效率）。

但是这种策略存在的致命缺点是电容的容量一般在法拉级，受制造工艺和材料的限制，超级大电容体积非常庞大，价格昂贵。

3）采用共用直流母线的策略，这种方式的原理如图2所示，但仅适合于多电机传动系统。

当系统中某台电机处在再生发电状态时，它所发出的电能可以被处于电动状态的其他电机所利用。

但是这种方案仅适用于多电机传动系统，而且要求处于发电状态的电机容量要远小于工作在电动状态的电动机容量，应用有一定的局限性。

由以上分析可见，不管采用上述何种方法处理电机的再生发电能量，都会或多或少地存在一些问题，不是耗能就是价格昂贵或者应用范围受限。

针对以上问题，很多学者都在研究能量回馈问题。

2 TEFU系列能量回馈单元基本原理
TEFU系列能量回馈单元，通过自动检测变频器的直流母线电压，采用正弦波电流跟踪技术，将变频器直流环节的直流电压逆变成与电网电压同频同相的三相交流电压，经多重噪声滤波后连接到交流电网。

从
而达到能量回馈的目的，并且实现单位功率因数回馈，回馈到电网的电能达到电机发电能量的97%以上，有效节省电能，其原理框图如图3所示。

具体的原理拓扑结构如图4 所示。

这样的拓扑结构可以很容易做到控制交流侧和直流侧之间有功功率和无功功率的交换。

所谓正弦波电流跟踪技术是指图4 中将电网电压的正弦波信号作为回馈电流的指令信号，通过闭环控制使得回馈电流波形跟踪电网电压信号的波形，从而实现回馈电流的正弦特性，减小回馈电流的畸变率。

3 实验波形
从下面的实验波形中，可以看到该能量回馈单元可以很好地处理电机再生发电的能量，同时完成单位功率因数回馈，而且回馈电流畸变率< 5%。

图5是能量回馈单元回馈时某一相的相电压和回馈的相电流，图中光滑的波形是电网相电压，另一波形是回馈电流，从中可以看到回馈的功率因数约等于1，回馈电流逼近正弦波。

图6是能量回馈单元工作时回馈电流和变频器直流母线电压的波形（100 V/div），从图中可以看到，制动时变频器直流母线电压迅速上升，达到690 V
时，回馈单元立即工作，很好地将直流母线电压稳定在700 V以内，变频器的停车时间约在0.6 s，回馈单元响应迅速（2 ms以内），制动力矩大。

4 应用
TEFU 系列能量回馈单元和变频器一起可以应用在位能式负载或大惯量负载和其他需要快速制动类负载的场合。

下面是TEFU 系列能量该回馈单元与时代TVF 8000 系列变频器在河北某单位B2016A型龙门刨床上的应用情况。

B2016A 型龙门刨床是机械加工初用的大型机床，是制造重型设备不可缺少的工作母机，主要用来加工大型工件的各种平面、斜面和槽，在机加行业应用非常广泛。

由于技术的限制，五六十年代的龙门刨床工
作台的拖动采用了电机扩大机—直流发电机—直流电动机方式，造成故障率高，体积大、电耗大、控制精度差、效率低等诸多缺陷。

基于以上种种弊端，我们对河北某加工厂的B2016A 型龙门刨床进行了变频改造，改造方案是采用时代TVF8000系列变频器配套TEFU 系列能量回馈单元方案+TVF8000 系列变频器配套制动单元和制动电阻方案。

将这两种方案进行对比，采用回馈单元的方案比采用制动单元和制动电阻的方案多节能20%，节能效果显著。

而且系统改造以后，运行稳定，可靠性高，系统维护简
单方便，回馈电能质量高，刨床的加工精度高，提高了加工质量与效率，延长了刀具的使用寿命。

5 结语
采用正弦波电流跟踪技术研制的TEFU 系列能量回馈单元，具有自动识别电网相序，有过流、过热、短路等全面保护功能，是一款绿色环保的节能产品。

从控制性能指标上看本产品还有改进之处，如可以采用空间电压矢量控制SVPWM 调制技术产生纯净的正弦波回馈电流等。

作者简介：
单升华（1967-），男，毕业于浙江大学电气学院，研究
方向为电力电子与电气传动。