由于交一直一交变频器的直流母线采用普通二极管整流桥供电,不能向电网回馈电能,所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高,此过程被称为“泵升电压”。
直流母线电压过高将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁。所以,为了保护电容器及功率开关器件的安全,变频器都设置了直流母线电压过压保护。
对起重设备产生再生能量的处理方案有:
(1)增大变频器直流母线上滤波电容器的容量,将再生能量储存起来,等电动状态时再释放给电动机做功。这种方法对节能有利,但是电容器的储能作用是有限的。若电动机的平均功率以10kW计算,回馈功率按25%计算,则为2.5kW,且电动机运行在发电状态的时间为2~3s,则回馈能量Ed=6000J。若采用15kW的变频器,其直流母线滤波电容的容量为2200μF,正常工作时直流母线电压(Us)小于600V,过电压保护值(Usm)为800V,那么Es=1/2(CU2sm)-1/2(CUs2)=1/2(2200×10-6)×(640000-360000)=308J,比起6000J的回馈能量来小得多了。也就是说,即使再增加10000uF的滤波电容,也只能储能1400J。因此,在大容量或者负载惯量大的系统中,不可能只靠增加滤波电容器容量的方法来限制泵升电压。
(2)采用由制动电阻器R。和制动单元组成的能耗制动电路可将回馈能量消耗在电阻上,这是一种耗能的方法,对节能不利,尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中,能量的损失较大,系统整体效率低。
(3)对于应用多台变频器的起重机,可以采用共用直流母线方案,即起重机的变频器可共用一台整流器,将其直流母线连接在一起,因各变频器的回馈能量不可能在同时发生,所以将某一台变频器的回馈能量作为其他变频器的动力。这样即节约了能量,又防止了泵升电压的产生。
(4)对于更大功率的系统,为了回馈再生能量、提高效率,可以采用能量回馈装置,将再生能量回馈到电网,但回馈装置的采用使系统更复杂了,投资也更高了。所谓的能量回馈装置,其实就是一台有源逆变器。
有源逆变器按采用功率开关器件的不同又可以分为晶闸管(SCR)有源逆变器和绝缘栅双极型晶体管(1GBT)逆变器两种。它们又各有其特点和要求。
三相桥式可控整流电路用于有源逆变时,就成为三相桥式有源逆变电路,只是电路内电能的流向与整流时相反,直流母线输出电功率,电网则吸收电功率。
为了防止过电流,应满足Ud~Um的条件。Ud取决于电动机回馈能量的大小,而Um则可通过超前角β(B=π-a)来进行调节。
由于逆变时Um为负值,故B的调节范围应为π/2~0。考虑电感性负载及变压器漏抗的影响,最小逆变角Bmin≥π/6。
从上述的分析可见,逆变的条件有两个:其一是要有直流电压存在,其极性应与晶闸管的导通方向一致,值应稍大于变流器直流侧的平均电压Um;其二是要求晶闸管的触发角a>π/2,使Um为负值。两者必须同时具备才能实现有源逆变。晶闸管有源逆变器的关键是交、直流侧的电压应匹配,否则无法实现有源逆变,即Um=-2.34U2cosβ(或-1.35U2cosβ)若逆变器交流侧直接接到380V交流电源上,且取最小βmin=π/6,则Ummax=480V左右,变频器直流母线电压在正常工作时为540V左右,Ud>Um,会形成能量在变频器整流器一逆变器一电网之间无谓循环,使直流母线电压降低,减小变频器的输出功率。而系统的要求是:当回馈能量较小时,能量回馈装置不工作,让能量储存在滤波电容器中,当直流母线电压达到某一设定值时(如Ud>670V),能量回馈装置才开始工作,将多余的再生能量回馈电网。根据公式计算,逆变变压器副边的线电压应大于540V,相电压应大于300V,才能实现与电网电压的匹配。
采用IGBT管器件的有源逆变器,虽然其主电路结构与变频器中的无源逆变器基本相同,但是其功能和控制方法是不同的。变频器中无源逆变器的负载是三相交流电动机,其输出频率、电压及相位都可以由变频器随意控制;而IGBT管有源逆变器输出端接的是交流电网,是有源负载,其输出频率、相位和电压都必须与电网一致,否则会造成短路而烧毁逆变器。所以,在IGBT管有源逆变器的控制中增加了鉴频、鉴相器和锁相环控制,其电压由PWM控制,比晶闸管有源逆变器容易实现,另外,在输出端接有交流电抗器,用以抑制过电流。
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