電能回饋裝置與二極管整流裝置并聯研究

摘要：通用變頻器中常用二極管整流裝置進行整流，存在無電能回饋功能的缺點。三相電能回饋裝置作為一個獨立、外掛式的回饋裝置與二極管整流裝置并聯使用，可實現變頻器回饋功能。然而在裝置進入回饋狀態后，因為兩種裝置并聯會導致二極管整流裝置存在脈沖電流通過的問題，影響電網及周邊電子設備。提出了一種改進拓撲結構結合滯環電流控制的解決方法消除脈沖電流。最后，通過仿真分析及實際應用證明了該方法的有效性和正確性。
關鍵詞：變頻器；電能回饋；二極管整流；滯環電流

1 引言
通用變頻器常用二極管整流裝置對三相交流電進行整流，從而為直流母線提供直流電壓，但存在無回饋功能的缺點，當電機處于再生發電狀態時，回饋的能量將傳輸到直流母線電容上，產生泵升電壓，使電容電壓不穩。而且高泵升電壓可能損壞開關器件，從而威脅變頻器安全工作。通常做法是并聯一個電阻將這部分電能消耗掉，但又存在電能浪費、電阻發熱等問題。
此處提出一種采用回饋裝置與二極管整流裝置并聯的方法，當電機處于再生制動狀態時，將再生能量回饋到電網，解決了電網污染、電能浪費等問題，保證了電機系統安全可靠運行。主要對回饋裝置與二極管整流裝置并聯帶來的問題及解決方法進行研究，并給出了仿真分析及實際應用結果。

2 系統拓撲結構及改進
2．1 電能回饋裝置拓撲結構及數學模型
圖1示出三相電能回饋裝置拓撲結構，主要由三相逆變器、濾波器和電網組成。

為建立圖1中電能回饋單元數學模型，假設：①電源為三相對稱正弦電壓；②網側濾波電感是線性的，且不考慮飽和；③功率開關管為理想開關，無導通關斷延時，無損耗。對于三相對稱系統有：
uu=Emsinθ，uv=Emsin(θ-2π／3)，uw=Emsin(θ+2π／3) (1)
uu+uv+uw=0， ia+ib+ic=0 (2)
式中：uu，uv，uw為三相對稱電網相電壓；Em為電網相電壓峰值；ia，ib，ic為三相線電流；θ為相位角。
對三相交流側應用基爾霍夫電壓定律，則有：

式中：Sj(j=a，b，c)為單極性二值邏輯開關函數，Sj=1時，上管導通，下管關斷，Sj=0時，上管關斷，下管導通；Udc為直流母線電壓；uNO為N點相對于O點電位。
由式(2)，(3)聯立可得：
uNO=-Udc(Sa+Sb+Sc)／3 (4)
2．2 并聯系統拓撲結構及改進
為實現通用變頻器的回饋功能，簡單且節省成本的方法就是直接在直流母線和三相電網間并聯一套三相電能回饋裝置，如圖2所示。

此時，三相電能回饋單元作為一個獨立、外掛式的電能回饋裝置，當電機處在制動或負載倒拖時，電機將處于發電狀態，給直流母線電容充電，Udc上升。當上升到一定值如620 V時，三相電能回饋裝置開始工作，將直流母線電容上的電能及時回饋到電網，使Udc維持在一個安全的范圍內。當電機制動結束或負載不再處于倒拖狀態，電機進入電動狀態時，Udc開始下降。當下降到設定值假設為615 V時，三相電能回饋裝置停止工作。三相電能回饋裝置一直重復回饋→停止→+回饋的過程。
若不并聯電能回饋裝置，當Udc高于620 V時，二極管整流裝置必然處在截止狀態；但當兩者并聯應用時，Udc高于620 V時，三相電能回饋裝置進入工作狀態，6個IGBT就會進入開關調制狀態，受上橋IGBT開通關斷狀態的影響，由式(4)可知，uNO會產生浮動變化。此處以u相為例分析說明三相電能回饋裝置與二極管整流裝置并聯后，電能回饋裝置對二極管整流裝置的影響。