AB变频器公共直流母线和能量回馈方案

通用变频器共用直流母线方案的设计与应用（2005-11-25 14:57:48 阅读数：105 ）[摘要在电机传动中，再生能量的现象经常发生，本文提出了一种实用的通用变频器直流母线方案，并阐述了其在离心机、化纤设备、造纸机上的进一步应用。

1 前言在同一个电力拖动系统中的一个或多个传动有时会发生从电机端发电得到的能量反馈到传动的变频器中来，这种现象叫“再生能量”。

这种情况一般发生在电机被拖着走的时候（也就是被一个远远高于设定值的速度拖动的时候），或者是当传动电机发生制动以提供足够的张力的时候（如放卷系统中的传动电机）。

传统意义上的PWM变频器并没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能，因此所有变频器从电机吸收的能量都会保存在电解电容中，最终导致变频器中的母线电压升高。

如果变频器配备制动单元和制动电阻，变频器就可以通过短时间接通电阻，使电能以热方式消耗掉。

当然只要充分考虑到制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率就可以来设计合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最终能够保持母线电压的平衡。

这种制动单元的工作方式其实就是消耗能量的一种。

如果有多个传动变频器通过直流母线互连的话，一个或多个电机产生的再生能量就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收了。

这是一种非常有效的工作方式，即使有多个部位的电机一直处于连续发电状态，也不用再去考虑其他的处理再生能量的方式。

在这种方式下，如果还需要一个更快刹车或紧急停止的状态的话，那就需要再加上一个一定容量的制动单元和制动电阻以便在非常时刻起作用，当然采用能量回馈装置就可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来。

2通用变频器共用直流母线的方案对于通用变频器而言，采用共用直流母线很重要的一点就是在上电时必须充分考虑到变频器的控制、传动故障、负载特性和输入主回路保护等。

图一所示为在其中一种应用比较广泛的方案。

该方案包括3相进线（保持同一相位）、直流母线、通用变频器组、公共制动单元或能量回馈装置和一些附属元件。

电话: 86-755-29799595 传真: 86-755-29619897 网址：http://www. 汇川变频器在共直流母线上的应用摘要：本文主要讲述汇川MD320系列矢量变频器在共直流母线上的应用，在传动系统中,由于某些机械件的惯量也较大,负荷间会互相影响和干扰,使得系统的扰动大大增加,从而使得有些传动工作方式在电动和发电之间变化。

共直流母线技术则是使能量通过母线流动供其它传动使用,以达到节能、提高设备运行可靠性、减少设备维护量和设备的占地面积等目的。

关键词: 变频传动共直流母线能量反馈制动单元一共直流母线设计的原因在部分传动系统中,由于某些机械件的惯量较大,负荷间会互相影响和干扰,使得系统的扰动大大增加,从而使得有些传动工作方式在电动和发电之间变化。

目前国内很多交流变频采用PWM调速方式，变频器并没有设计使再生能量反馈到三相电网的功能,因此所有变频器从电动机吸收的能量都会保存在电解电容中,最终导致变频器中的母线电压升高。

如果变频器配备制动单元和制动电阻,变频器就可以通过短时间接通电阻,使电能以热方式消耗掉，如果在没有制动电阻和能量反馈单元的情况下，变频器经常性过压、制动会导致变频器发生变频跳闸、停机的现象,直接影响到正常生产。

在这种情况下,如果有多个传动变频器通过直流母线互连的话,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。

这是一种非常有效的工作方式,即使有多个部位的电动机一直处于连续发电状态,也不用再去考虑其他的处理再生能量的方式。

二共直流母线设计的原理（汇川变频器的应用）常见的共直流母线有下列两种用法，现就将详细说明如下：第一种：采用汇川变频器MD320组成对于通用变频器而言，采用共用直流母线很重要的一点就是在上电时必须充分考虑到变频器的控制、传动故障、负载特性和输入主回路保护等。

图所示为在其中一种应用比较广泛的方案。

该方案包括3相进线（保持同一相位）、直流母线、通用变频器组、公共制动单元或能量回馈装置和一些附属元件。

在同一电力拖动系统中的一个或多个传动，有时会发生从电动机端发电得到的能量反馈到传动的变频器中，这种现象叫做再生能量。

这种情况一般发生在电动机被拖着走时(也就是被一个远远高于设定值的速度拖动时)，或者是当传动电动机发生制动以提供足够的张力时(如放卷系统中的传动电动机)。

传统非四象限的PWM变频器并没有使再生能量反馈到电网(三相电源)的功能，变频器从电动机吸收的能量都会保存在电解电容中，最终导致变频器中的母线电压升高b对于一些单台以变频方式运行的设备，常对其变频器配备制动单元和制动电阻，当有再生能量时，变频器的控制系统就通过短时间接通电阻使再生能量以热方式消耗掉。

这种处理再生能量的方式要充分考虑制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率，就可以设计出合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最终能够保持母线电压的平衡。

这种通过制动单元消耗再生能量的工作方式其实是一种浪费电能的方式。

对于一些成群组运行的生产设备(如离心机、化纤设备、造纸机、油田磕头机等)的电动机传动中，其再生能量的现象发生十分频繁.，且常发生在不同时刻。

对这样的系统设备，如果通过制动单元消耗再生能量的工作方式，则电能浪费将于分可观。

对此使用一种实用的通用变频器直流母线方案则可很好地解决再生能量发生十分频繁的现象，且节电将十分可观。

将多个通用变频器的直流母线互连，一个或多个电动机在不同时刻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。

这是一种非常有效的工作方式，即使有多个部位的电机一直处于连续发电状态，也不用再去考虑其他的处理再生能量的方式。

1.专用型共用直流母线变频器系统专用型共用直流母线变频器系统如图3一49所示。

这种共用直流母线变频器系统是采用一台大容量的整流器为整个变频器系统提供直流，各逆变器分别驱动各自的设备。

由图3-49可看出，整流器一旦有故障，则整个共用直流母线变频器系统都要停止工作。

因此，在实际选用共用直流母线变频器系统时，要充分考虑生产设备的工艺、工序等问题，选用合适的、可靠性高的共用直流母线变频器系统。

介绍电压源型变频器能量回馈控制技术的两个方案介绍电压源型变频器能量回馈控制技术的两个方案山东大学控制科学与工程学院张承慧杜春水马永庆程全征马运东摘要通用变频器能量回馈PWM控制系统是一种采用有源逆变方式把电动机减速制动时产生的再生能量回馈电网的装置。

它可以克服通用变频器传统制动电阻方式低效、难以满足快速制动和频繁正反转的不足,使通用变频器可在四象限运行。

本文首先回顾了变频调速能量回馈控制技术的发展历史及现状,并介绍了常见的两个方案。

关键词变频调速技术能量反馈再生制动PWM控制编者按本文原标题为“变频调速能量回馈控制技术的现状与发展趋势”,载于变频器世界2002年第三期,文中介绍了许多种拓扑结构,本刊现挑选了常见的两种,因都是电压源型,故改用了现在取用的文题。

11引言变频调速技术涉及电子、电工、信息与控制等多个学科领域。

采用变频调速技术是节能降耗、改善控制性能、提高产品产量和质量的重要途径,已在应用中取得了良好的应用效果和显著的经济效益。

但是,在对调速节能的一片赞誉中,人们往往忽视了进一步挖掘变频调速系统节能潜力和提高效率的问题。

事实上,从变频器内部研究和设计的方面看,应用或寻求哪一种控制策略可以使变频驱动电机的损耗最小而效率最高?怎样才能使生产机械储存的能量及时高效地回馈到电网?这正是提高效率的两个重要途径。

第一个环节是通过变频调速技术及其优化控制技术实现“按需供能”,即在满足生产机械速度、转矩和动态响应要求的前提下,尽量减少变频装置的输入能量;第二个环节是将由生产机械中储存的动能或势能转换而来的电能及时地、高效地“回收”到电网,即通过有源逆变装置将再生能量回馈到交流电网,一方面是节能降耗;另一方面是实现电动机的精密制动,提高电动机的动态性能。

本文讨论的就是变频调速系统节能控制的第二个环节—变频调速能量回馈控制技术。

在能源、资源日趋紧张的今天,这项研究无疑具有十分重要的现实意义。

21通用变频器在应用中存在的问题通用变频器大都为电压型交—直—交变频器,基本结构如图1所示。

变频技术：共用直流母线技术变频技术: 共用直流母线共用直流母线分为两种: 共用直流均衡母线和共用直流回路母线。

共用直流均衡母线是将多台变频器的直流母线回路并联在一起（变频器本身设计有外接的直流母线输出端子），达到共用直流母线的方式。

每台变频器和共用直流母线之间可以加装电抗器、快速熔断器和接触器等，这一部分是变频器以外的部分，电气设计人员可以根据实际需要进行设计。

共用直流回路母线方式是将多台逆变器连接到同一个公共的直流回路上。

共用直流母线特点:1节能: 电机制动时回馈的能量可以被利用，所以比较节能，特别是对油田磕头机、起重机等升降设备而言更具有节能优势;2设备功率因素较高: 因电机能够回馈能量，无功功率损失小，所以设备功率因素较高，达95%以上;3瞬间停电不一定导致变频器跳闸停机: 这是因为一些设备在瞬间停电时可能正处于制动（发电、回馈能量状态），所以瞬间停电干扰对设备的影响就没有那么大4电网谐波较低: 共用直流母线平衡了变频器的直流母线电压，设备启动、停止时对电网的冲击也低;5可以急降速: 不存在制动电阻消耗能量，因为电机在停机时成了发电机，能量回馈到直流母线上了;6允许频繁起动操作: 因为有共用直流母线的存在，设备启动、停止时对电网和电气设备的冲击也减小了，因此允许频繁起动操作;7多台变频器不需相同的额定功率: 各电机也不需相同功率，但差别不要过大，最适合比例连动控制;8可以驱动三相永磁同步电机。

对于一般的系统集成商来说，采用的共用直流母线方式都是共用直流均衡母线方式。

因为这种方式对于设计人员来说更加方便：因为采用了成品变频器，就比较容易设计外围电路、功能强（变频器本身具有比较强的功能）、采购方便、安装/维修方便等。

对于专业制造厂家或其他场合而言，可能用到共用直流回路母线方式要多一些。

因为这种方式采用了1个整流器和多个逆变器，成本更低。

但功能相对较弱（单独的逆变器和变频器相比，功能终究要弱一些），而且采购、安装/维修可能也没那么方便。

能量回馈原理
能量回馈原理主要是将运动中负载上的机械能（位能、动能）通过能量回馈装置变换成电能（再生电能）并回送给交流电网，供附近其它用电设备使用，使电机拖动系统在单位时间消耗电网电能下降，从而达到节约电能的目的。

具体来说，能量回馈的原理是通过自动检测变频器的直流母线电压，将变频器的直流环节的直流电压逆变成与电网电压同频同相的交流电压，经多重噪声滤波环节后连接到交流电网，从而达到能量回馈电网的效果。

能量回馈技术常用于变频调速系统中，特别是大惯量、拖动性的变频调速系统中。

这种技术能够将电机减速过程中所产生的再生电能回馈到电网，同时协助系统实现快速制动功能。

在实际应用中，能量回馈技术能够提高设备的运行效率，降低能耗，同时还可以减少机房温度，节省机房空调的耗电量。

因此，能量回馈技术在节能减排、提高能源利用效率等方面具有重要意义。

以上内容仅供参考，如需更多专业信息，建议查阅相关文献或咨询相关学者。

四、共用直流母线方式的回馈制动共用直流母线方式的再生能量回馈系统，对于频繁启动、制动，或是四象限运行的电机而言，在制动过程不仅不影响系统的动态响应，可以将制动产生的再生能量进行充分利用，从而起到既节约电能又处理再生电能的功效。

4.1、工作原理我们知道通常意义上的异步电机多传动包括整流桥、直流母线供电回路、若干个逆变器，其中电机需要的能量是以直流方式通过PWM逆变器输出。

在多传动方式下，制动时感生能量就反馈到直流回路。

通过直流回路，这部分反馈能量就可以消耗在其他处在电动状态的电机上，制动要求特别高时，只需要在共用母线上并上一个共用制动单元即可。

在实际的应用中，多传动的系统造价高、品牌少，也往往使用在钢铁、造纸等高端市场。

以此参照到众多的制动小系统应用，也不失为一种效率好、节能高的制动方式。

处于电动状态的电机M1上的变频器VF1端，而VF2则通过共用直流母线方式与VF1的母线相连。

在此种方式下，VF2仅做为逆变器在使用，M2处于电动时，所需能量由交流电网通过VF1的整流桥获得；M2处于发电时，反馈能量通过直流母线由M2的电动状态消耗。

4.2、应用范围共用直流母线的制动方式可典型应用于造纸机械、印刷机械、离心分离机以及系统驱动等。

在这些应用中，有一个共同的特点：即处于发电状态的M2的容量远远小于处于电动状态的M1的容量，而且当M1的电动状态停止时（即变频器VF1待机），M2的发电状态随即转为电动状态。

这样，直流母线电压就不会快速升高，系统始终处于比较稳定的状态。

这里以离心机为例进行应用说明。

过滤式螺旋卸料离心机，在全速下连续进料、连续卸料，自动完成进料、分离、洗涤、卸料等工序。

离心机的核心是过滤型转鼓，利用主机和副机的差转速来控制卸料速度，并实现无人安全操作。

在处理过程中，主机始终处于电动状态，而副机则由于转速差的作用，基本上处于发电状态。

主机和副机功率通常为22KW和5.5KW、30KW和7.5KW、45KW和11KW等4:1匹配，符合本节阐述的工作方式。

变频器能量回馈原理二、变频器的工作原理变频器是一种通过变换直流电源的电压和频率，从而控制交流电动机运转的电力电子装置。

其实现的基本原理是将变压器的输入端接入交流电源，输出端接入整流电路，经过滤波后得到一定大小、直流电压稳定的直流电源；再将直流电源通过逆变器变换为与所需电机转速相关的交流电源，经过输出滤波后能够输出至电机，实现对电机的控制。

由于变频器工作时需要不断的转换电压和频率，因此变频器还会带来一些问题。

变频器工程实践中常常会在电网中引入谐波电流，给电力系统带来一定程度的干扰和损害；由于逆变器内部存在寄生电容等元件，变频器的效率往往不高，会浪费大量的能量。

三、能量回馈技术的基本思路能量回馈技术的基本思路是，在变频器使用的过程中，不仅要将直流电源转变成交流电源，控制电机运转，还要在电机运行时将电机的动能转化为电能，形成闭环式的交流电源管理。

具体来说，就是在电机运行时，将电压向逆变器反馈，使逆变器的输出电压降低，从而减少能量的浪费，提高变频器的效率。

四、能量回馈技术的实现方式能量回馈技术目前实现的方式有很多，其中比较典型的方法是基于电容反接和带电阀的实现方式。

这里简单介绍一下这两种实现方式。

1.电容反接电容反接法是一种通过在逆变器输出端串联电容来实现电机能量回馈的技术方法。

通过在逆变器输出端串联一个电容，当电机在运行时产生的电动势将电容器充电，导致电容器电压上升；而当电机的转速降低或者停止时，电容器中的电能可以通过电容器释放电能的方式，回馈给逆变器内部。

由于电容反接法并不需要额外的电子器件，因此成本比较低。

2.带电阀带电阀法是一种通过在逆变器输出端安装负载使得逆变器向电源网络回馈电能的技术方法。

其核心原理是当电机发生回馈时，负载电阻开始发热，从而导致回馈电能的损耗，这种损耗可以通过一个带电阀来减少。

其优点在于能够实现比较高的效率。

五、结论能量回馈技术在变频器的应用中具有很好的前景。

通过引入能量回馈技术，在变频器的工作中回馈电机的回馈电能，能够提高电机的效率，减少能量浪费，同时也可以减小变频器对电网的干扰，在电力系统中发挥着重要的作用。