NBB 全可控智能型能量回饋系統(tǒng)

1 概述

在高速電梯、龍門刨床、起重設(shè)備、油田抽油機、礦山提升機等一些需要頻繁正、反轉(zhuǎn)和快速起停的調(diào)速系統(tǒng)中一般都要用機械制動或電力制動，與機械制動相比，電力制動具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便、無機械磨擦損耗、制動力矩可靈活調(diào)節(jié)等優(yōu)點，電力制動的本質(zhì)是將機械能轉(zhuǎn)變成電能并加以吸收，如電壓型交-直-交變頻調(diào)速系統(tǒng)，將制動過程中的機械能轉(zhuǎn)變成電能再經(jīng)逆變器回送經(jīng)直流回路上的儲能電容中，但由于電容的儲能容量有限,如果不及時吸收儲能電容中的過剩能量,電容兩端產(chǎn)生的泵升電壓將導(dǎo)致系統(tǒng)的過壓保護動作并封鎖逆變器輸出，使電動機處于自由停車狀態(tài)，達不到快速制動的目的。

在小容量的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，常采用電阻能耗電路吸收儲能電容中多余的能量達到制動的目的，該方案的缺點是電阻功耗大、發(fā)熱嚴重，且系統(tǒng)的容量越大，這一缺點越突出，甚至在一些場合還要采取措施降低溫度。因此，在大、中容量的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，常采用能量回饋系統(tǒng)，將儲能電容中多余的能量回饋再生利用，從而達到既節(jié)能又快速制動的目的。

2 傳統(tǒng)能量回饋系統(tǒng)

傳統(tǒng)的能量回饋系統(tǒng)主要由晶閘管有源逆變器組成，由于晶閘管只能控制其開通不能控制其關(guān)斷，故稱該系統(tǒng)為半可控能量回饋系統(tǒng)，典型的電路有兩種，一種是相控有源逆變器，改變有源逆變器的逆變角相位，即可控制回饋交流電網(wǎng)電流的大小;另一種是固定逆變角有源逆變器加直流斬波器，通過控制斬波器的通斷比來控制回饋交流電網(wǎng)電流的大小，但這兩種電路采用的都是半可控器件，為了防止有源逆變器的的顛覆，必須留有充分的換流角余度，故系統(tǒng)的最小逆變角一般不<30°，由此帶來了以下幾大缺陷：

1)電壓利用率下降;

2)存在脈動環(huán)流，為了消除脈動環(huán)流，需要在有源逆變回路交流側(cè)加隔離變壓器或在直流回路中加無觸點隔離開關(guān);

3)電壓波形畸變，有源逆變角取值越大，電壓波形畸變率越大并引起系統(tǒng)功率因數(shù)下降;

4)系統(tǒng)工作可靠性下降，有源逆變電路中的晶閘管在截止期間主要處于正向阻斷狀態(tài)，一旦有誤觸發(fā)信號，原截止的晶閘管會立即導(dǎo)通使系統(tǒng)處于顛覆狀態(tài)，導(dǎo)致產(chǎn)生很大的短路電流，破壞系統(tǒng)的正常工作。

3 NBB能量回饋系統(tǒng)

基于上述原因，我公司研制成功一種全可控能量回饋系統(tǒng)(如圖1所示)，采用可關(guān)斷器件IGBT構(gòu)成有源逆變電路，利用IGBT還可實現(xiàn)回饋電流大小的控制。工作原理如圖2所示。

3.1 采用可關(guān)斷器件IGBT

可關(guān)斷器件IGBT 集大功率晶體管(GTR)與功率場效應(yīng)管(Power MOSFET)的優(yōu)點于一體，具有電壓激勵、大電流低導(dǎo)通壓降、高速、低脈沖拖尾電流、對溫度不敏感以及高可靠性等特點，十分適用于能量回饋系統(tǒng)中的功率開關(guān)器件，可保證系統(tǒng)無脈動環(huán)流，實現(xiàn)輸出波形好、電流大小可控、波形系數(shù)好而且功率因數(shù)高。當(dāng)回饋電流小于設(shè)定值時，功率器件導(dǎo)通，回饋電流大于設(shè)定值后，功率器件關(guān)斷，儲存在電感L 中的能量通過二極管、電容C構(gòu)成續(xù)流回路，繼續(xù)向電網(wǎng)回送能量，由于IGBT 開關(guān)頻率很高，因此，回饋電流實際值可以很準(zhǔn)確地跟蹤電流設(shè)定值。根據(jù)直流回路允許的泵升電壓大小確定功率器件的工作區(qū)間，考慮到電網(wǎng)的波動，當(dāng)直流回路電壓Ud>1.1Em后,有源逆變投入運行,這樣可減少能量回饋系統(tǒng)的平均功率。

3.2 能量回饋系統(tǒng)控制部分的構(gòu)成

3.2.1 同步電路

D/Y0 接法的三相同步變壓器輸出與電網(wǎng)線電壓同相位的UAB、UBC、UCA，再經(jīng)過零比較器獲得方波形式的三相同步信號Uab、Ubc、Uca，然后通過邏輯電路輸出6個功率器件的同步信號。

3.2.2 電流調(diào)節(jié)電路

為了簡化電路三相電流的調(diào)節(jié)，合用一個電流設(shè)定值和一個電流調(diào)節(jié)器，眾所周知，任一時刻，三相電流僅一相電流的絕對值最大，故電流設(shè)定值按三相電流的峰值設(shè)定，三相電流實測值經(jīng)整流后與電流設(shè)定值比較，經(jīng)滯環(huán)調(diào)節(jié)器即可控制輸出功率器件的開通與關(guān)斷信號，只要主電路中電感L 參數(shù)設(shè)計恰當(dāng)，采用這種簡化的電流調(diào)節(jié)電路即可獲得良好的輸出電流波形。

3.2.3 電壓監(jiān)測電路

由直流電路中的取樣電壓Vr 與電壓設(shè)定值比較，輸出相應(yīng)的電平信號再經(jīng)充電隔離器送給脈沖分配電路，以控制能量回饋系統(tǒng)的工作與否，電壓監(jiān)測電路采用了帶回差的比較器，以避免系統(tǒng)在臨界工作點振蕩。

3.2.4 脈沖形成與驅(qū)動電路

脈沖形成電路主要任務(wù)是將同步輸出信號、電流調(diào)節(jié)信號、電壓監(jiān)測輸出信號處理后再整形放大送給驅(qū)動電路。驅(qū)動電路采用了IGBT專用集成驅(qū)動芯片，該集成驅(qū)動芯片內(nèi)含光電耦合器，具有很高的抗共模干擾能力，此外，該集成芯片還有過流自保護功能，可以有效地防止IGBT損壞。

控制系統(tǒng)還加有與上位機的聯(lián)絡(luò)信號線，當(dāng)能量回饋器發(fā)生故障時，也可以及時通知上位機，經(jīng)上位機判斷后，可以清除回饋系統(tǒng)的故障信號，令系統(tǒng)繼續(xù)正常工作，提高了整體系統(tǒng)工作的可靠性。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的能量回饋系統(tǒng)相比，NBB 全可控能量回饋系統(tǒng)省略了隔離變壓器、直流斬波器，使系統(tǒng)電路更簡單，體積更小;無脈動環(huán)流，換流時間短，提高了系統(tǒng)效率;具有輸出波形好、功率因數(shù)高，對電網(wǎng)污染小等特點。自產(chǎn)品投放市場以來，在深圳高層電梯應(yīng)用效果良好，已廣泛在油田抽油機、礦山提升機、起重機、離心機上配套使用。