基于适用于电机变速驱动的能量再生电路设计与分析

基于电压源逆变器的通用变速驱动器输入侧一般采用二极管整流，能量无法双向流动，在电机制动期间，能量从电机侧反馈至直流侧，导致直流侧电压升高，通常的解决方法是在直流侧增加由电阻和功率器件组成的制动单元，由电阻消耗掉多余的能量，保持直流侧的功率平衡。这种方法实现简单，可靠性高，但是能量是以发热的形式被消耗掉，对于需要频繁制动和大功率的应用场合，会造成能量的浪费，降低了变速驱动系统的效率。

还有直流制动和电机耗能型制动的方法。直流制动是在电机气隙中叠加静止的磁场，当转子线圈与此静止磁场相互作用时，线圈上感应的电压产生转子电流，与气隙磁场相互作用产生反方向的制动力矩，直流制动不需要额外的硬件投入，但在高转速时有效的制动力矩相当低。电机内部消耗动能的制动方法也不需要制动单元，通过控制转差率，使储存在电机转子上的动能几乎全消耗在电机内部，而不会回馈到直流侧。这两种方法适用于非频繁制动、制动容量较小的场合，也可以同制动单元一起使用以增加制动容量，但是能量也是以发热的形式被消耗掉，因此存在和使用制动电阻时同样的问题。

因此，能量的再生制动方式受到了广泛关注，通过对电机变速驱动器的调整，使能量可以在电网和电机之间双向流动，把电机制动时直流侧多余的能量回馈至电网，实现能量的再生利用，达到节能效果，提高变速驱动设备的效率。本文对国内外适用于电机变速驱动器的再生电路进行了总结，对基于能量存储设备、共用直流母线和基于电力电子变换器的再生电路进行了分析和讨论，并针对目前多电平变换器在大功率变速驱动中的应用，对多电平变换器的再生电路也进行了讨论，以期为变速驱动器再生制动电路的选择提供参考。

1 基于能量存储设备的再生电路

图1是使用能量存储设备的再生电路，储能设备通过能量可以双向流动的DC/DC 变换器和直流侧相连。正常运行时，DC/DC变换器不参与工作，当电机需要制动时，其运行转入发电状态，能量通过逆变器进入直流侧，此时启动DC/DC 变换器，使其工作在Buck 电路状态，对储能设备进行充电;贮存在储能设备中的能量也可以通过DC/DC 变换器释放到直流侧，从而实现了能量的再生利用。能量存储设备可以选择蓄电池、超级电容器等，这种方式把驱动系统制动或减速时的能量送到存储设备中保存起来，达到了节能的效果，适用于需要频繁上下坡或加减速调节的电动汽车、摩托车、观光旅游电瓶车等。

储能设备的容量决定了再生制动的能力，而储能设备容量大时，体积和重量都会较大，成本也会相应提高，同时储能设备还需要维护，因此这种方式适用于再生能量较小的场合。2 基于共用直流母线的再生电路

如果有多个变速驱动器通过直流母线互联，一个或多个电动机产生的再生能量就可以被其他电动机以电动的方式消耗吸收，原理图如图2 所示，图中只有两个系统通过直流母线互联，实际中可以是多个互联。当电机1和电机2都处于电动状态时，需要的能量由电网供给;当电机1处于电动状态，电机2 处于发电状态，则电机2反馈的能量可以通过共用的直流

母线由电机1消耗;因为这类系统通常包括多个变速驱动器，当有电机处于发电状态时，一般都有电机处于电动状态，因此自身即可以实现能量的再生利用。

当对制动性能要求较高时，考虑到多个电机都处于连续发电状态，这时需要增加常规的制动单元以便在非常时刻起作用，也可以采用再生回馈装置将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中。

采用共用直流母线的再生方式，具有以下特点：共用直流母线和共用制动单元，可以大大减少整流器和制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠;共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大;各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，可以优化系统的动态特性;提高系统功率因数，降低电网谐波电流，提高系统用电效率。

通用变频器共用直流母线的再生方式目前已经在工业领域的很多机械设备上得到应用，如离心机、化纤设备、造纸机等，实现容易，不用额外增加成本，系统故障率低，可靠性高，能较好地实现节能。但是，这种方式只能用于一定的场合，即有多个变速驱动器共同使用的情况，同时要求处于发电状态的电机容量要比处于电动状态的电机容量小很多，才能保证系统处于比较稳定的运行状态。

3 基于电力电子变换器的再生电路

3.1 基于晶闸管的再生电路

利用晶闸管构成逆变器，可以把电机制动时直流侧多余的能量回馈到电网，实现能量的再生利用，图3是基于晶闸管的再生电路。图3(a)是一种常规的方法，使用晶闸管桥与二极管构成