簡述雙PWM變頻電源回饋能量分級處理方式

柳曉明，姚振松，劉風亮，姚振民，劉世昌，王 前，于文瑞

（1.本溪東方三家子礦業有限公司；2.山東華特磁電科技股份有限公司）

對于慣性負載，雙PWM變頻電源在停機或系統故障時，負載產生的回饋能量匯集到直流母線電容上，若不能及時處理回饋能量,勢必造成直流母線電壓泵升，會引起直流母線過壓保護動作、造成主回路功率器件和直流母線電容的過壓損壞，進而影響系統正常工作，導致系統故障。

為確保系統的穩定運行，保證系統的正常工作，針對逆變側的回饋能量通常的處理方式基本有兩種：（1）能量通過在直流母線電容側并聯的制動單元和制動電阻，以電阻發熱的形式消耗掉。采用此種方式接線簡單、響應速度較快、易于實現，研發周期短；但也造成能量浪費、增加硬件成本、回饋能量無法預測難以很好的匹配制動電阻、電阻發熱影響系統散熱效果。（2）能量通過由晶閘管或IGBT組成的外掛逆變單元，實現能量從負載側向電網側回饋。采用此種方式解決了能耗制動能量浪費、能耗制動效率低等問題；但是增加了硬件成本，易形成電流回環，能量不能很好地在網側與負載側雙向流動。

針對現有控制方案的不足，我們將采用分級處理的方式對回饋能量進行優化處理。

1 系統構成

如圖1所示，雙PWM變頻電源包括PWM整流器，中間環節、PWM逆變器和控制器等。PWM整流器由IGBT及其驅動隔離、保護電路構成，PWM整流器的作用是將正弦交流電整流為直流電，提供給中間環節；中間環節包括直流電容和制動單元，直流電容的作用是對整流后的直流電進行濾波和穩壓，制動單元的作用是維持直流母線電壓的穩定；信號采集電路采集電路中電壓、電流信號，采集電壓信號包括交流輸入電壓、直流母線電壓，采集電流信號包括交流輸入電流、交流輸出電流，經A/D變換后傳送給控制器；PWM逆變器由IGBT及其驅動隔離、保護電路構成，PWM逆變器的作用是將直流電逆變成頻率可調的交流電，向負載提供能量。

控制器采用TI公司TMS320F28335芯片，TMS320F28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，6個DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。控制器實現對系統的所有控制，主要包括PWM整流器和PWM逆變器的算法運算、系統保護、通信等主要功能。

2 實現方式

如圖1、圖2和圖3所示，在停機或系統故障時，負載所儲存的電磁能釋放，能量由PWM逆變器的功率器件IGBT（VT21和VT24,VT23和VT26,VT25和VT22）集成的續流二極管向直流母線電容(C1和C2)充電，造成直流母線電壓泵升。此時ADC信號采樣電路采集直流母線電壓Udc的實際值，并將實際值經過模數轉換后傳輸給控制器，控制器將直流母線電壓Udc的實際值與預設定的閾值Ua和閾值Ub作比較。

圖1

圖2

圖3

如圖3所示，當直流母線電壓Udc小于閾值Ua時，此時屬于正常的動態變化，無回饋能量或回饋能量較小，直流母線電壓泵升較低，通過直流母線電容充電進行調節即可。當直流母線電壓Udc大于等于閾值Ua并小于閾值Ub時，此時存在較大的回饋能量，控制器判斷應采用“能量回饋”處理方式，具體是：控制PWM整流器切換至有源逆變狀態，并保持制動電阻R沒有制動電流流過；同時，控制器根據各相第一霍爾傳感器采集的電網電壓，控制PWM整流器將回饋能量逆變成電能時，使其幅值、頻率以及相位與當前的電網各相幅值、頻率以及相位相一致，以便回饋能量流向電網時，對電網幾乎不產生諧波污染。本方式利用了原有的PWM整流的硬件結構，實現了一級能量回饋，降低了成本，還迫使直流母線電壓回落至正常范圍，避免直流母線電壓持續泵升引起故障，損壞直流母線電容。

當直流母線電壓Udc大于等于閾值Ub時，表明存在大量的回饋能量，并且回饋能量功率大于PWM整流器有源逆變功率，造成直流母線電壓持續泵升，直流母線電容充電和能量回饋方式不能使系統正常運行，此時控制器判斷應采用“能耗制動”處理方式，具體為：控制器控制PWM整流器停止工作，脈沖封鎖，使制動電阻R有制動電流流過，使制動電阻R釋放熱量，耗散回饋能量，避免母線直流電壓持續泵升的同時，迫使直流母線電壓迅速回落，直至直流母線電壓Udc小于閾值Ua，此時，沒有制動電流流過制動電阻R，制動電阻R在自然散熱，降低自身溫度，使系統恢復正常工作狀態。

3 結束語

通過本方案的方法，利用“一級”能量回饋與“二級”耗散制動相配合的架構，既實現能量在網側與負載側的雙向流動，又有效保護直流母線電容，同時由于利用PWM整流器電路結構不再增加系統硬件成本，還改善了整流器網側的功率因數，幾乎對電網不產生諧波污染；避免了雙PWM變頻電源因回饋能量而導致的系統故障，保證了系統的安全可靠運行。