NBB 全可控智能型能量回馈系统

1 概述

在高速电梯、龙门刨床、起重设备、油田抽油机、矿山提升机等一些需要频繁正、反转和快速起停的调速系统中一般都要用机械制动或电力制动，与机械制动相比，电力制动具有结构简单、安装维护方便、无机械磨擦损耗、制动力矩可灵活调节等优点，电力制动的本质是将机械能转变成电能并加以吸收，如电压型交-直-交变频调速系统，将制动过程中的机械能转变成电能再经逆变器回送经直流回路上的储能电容中，但由于电容的储能容量有限,如果不及时吸收储能电容中的过剩能量,电容两端产生的泵升电压将导致系统的过压保护动作并封锁逆变器输出，使电动机处于自由停车状态，达不到快速制动的目的。

在小容量的变频调速系统中，常采用电阻能耗电路吸收储能电容中多余的能量达到制动的目的，该方案的缺点是电阻功耗大、发热严重，且系统的容量越大，这一缺点越突出，甚至在一些场合还要采取措施降低温度。因此，在大、中容量的变频调速系统中，常采用能量回馈系统，将储能电容中多余的能量回馈再生利用，从而达到既节能又快速制动的目的。

2 传统能量回馈系统

传统的能量回馈系统主要由晶闸管有源逆变器组成，由于晶闸管只能控制其开通不能控制其关断，故称该系统为半可控能量回馈系统，典型的电路有两种，一种是相控有源逆变器，改变有源逆变器的逆变角相位，即可控制回馈交流电网电流的大小;另一种是固定逆变角有源逆变器加直流斩波器，通过控制斩波器的通断比来控制回馈交流电网电流的大小，但这两种电路采用的都是半可控器件，为了防止有源逆变器的的颠覆，必须留有充分的换流角余度，故系统的最小逆变角一般不<30°，由此带来了以下几大缺陷：

1)电压利用率下降;

2)存在脉动环流，为了消除脉动环流，需要在有源逆变回路交流侧加隔离变压器或在直流回路中加无触点隔离开关;

3)电压波形畸变，有源逆变角取值越大，电压波形畸变率越大并引起系统功率因数下降;

4)系统工作可靠性下降，有源逆变电路中的晶闸管在截止期间主要处于正向阻断状态，一旦有误触发信号，原截止的晶闸管会立即导通使系统处于颠覆状态，导致产生很大的短路电流，破坏系统的正常工作。

3 NBB能量回馈系统

基于上述原因，我公司研制成功一种全可控能量回馈系统(如图1所示)，采用可关断器件IGBT构成有源逆变电路，利用IGBT还可实现回馈电流大小的控制。工作原理如图2所示。

3.1 采用可关断器件IGBT

可关断器件IGBT 集大功率晶体管(GTR)与功率场效应管(Power MOSFET)的优点于一体，具有电压激励、大电流低导通压降、高速、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感以及高可靠性等特点，十分适用于能量回馈系统中的功率开关器件，可保证系统无脉动环流，实现输出波形好、电流大小可控、波形系数好而且功率因数高。当回馈电流小于设定值时，功率器件导通，回馈电流大于设定值后，功率器件关断，储存在电感L 中的能量通过二极管、电容C构成续流回路，继续向电网回送能量，由于IGBT 开关频率很高，因此，回馈电流实际值可以很准确地跟踪电流设定值。根据直流回路允许的泵升电压大小确定功率器件的工作区间，考虑到电网的波动，当直流回路电压Ud>1.1Em后,有源逆变投入运行,这样可减少能量回馈系统的平均功率。

3.2 能量回馈系统控制部分的构成

3.2.1 同步电路

D/Y0 接法的三相同步变压器输出与电网线电压同相位的UAB、UBC、UCA，再经过零比较器获得方波形式的三相同步信号Uab、Ubc、Uca，然后通过逻辑电路输出6个功率器件的同步信号。

3.2.2 电流调节电路

为了简化电路三相电流的调节，合用一个电流设定值和一个电流调节器，众所周知，任一时刻，三相电流仅一相电流的绝对值最大，故电流设定值按三相电流的峰值设定，三相电流实测值经整流后与电流设定值比较，经滞环调节器即可控制输出功率器件的开通与关断信号，只要主电路中电感L 参数设计恰当，采用这种简化的电流调节电路即可获得良好的输出电流波形。

3.2.3 电压监测电路

由直流电路中的取样电压Vr 与电压设定值比较，输出相应的电平信号再经充电隔离器送给脉冲分配电路，以控制能量回馈系统的工作与否，电压监测电路采用了带回差的比较器，以避免系统在临界工作点振荡。

3.2.4 脉冲形成与驱动电路

脉冲形成电路主要任务是将同步输出信号、电流调节信号、电压监测输出信号处理后再整形放大送给驱动电路。驱动电路采用了IGBT专用集成驱动芯片，该集成驱动芯片内含光电耦合器，具有很高的抗共模干扰能力，此外，该集成芯片还有过流自保护功能，可以有效地防止IGBT损坏。

控制系统还加有与上位机的联络信号线，当能量回馈器发生故障时，也可以及时通知上位机，经上位机判断后，可以清除回馈系统的故障信号，令系统继续正常工作，提高了整体系统工作的可靠性。

4 结语

与传统的能量回馈系统相比，NBB 全可控能量回馈系统省略了隔离变压器、直流斩波器，使系统电路更简单，体积更小;无脉动环流，换流时间短，提高了系统效率;具有输出波形好、功率因数高，对电网污染小等特点。自产品投放市场以来，在深圳高层电梯应用效果良好，已广泛在油田抽油机、矿山提升机、起重机、离心机上配套使用。