简述双PWM变频电源回馈能量分级处理方式

柳晓明，姚振松，刘风亮，姚振民，刘世昌，王 前，于文瑞

（1.本溪东方三家子矿业有限公司；2.山东华特磁电科技股份有限公司）

对于惯性负载，双PWM变频电源在停机或系统故障时，负载产生的回馈能量汇集到直流母线电容上，若不能及时处理回馈能量,势必造成直流母线电压泵升，会引起直流母线过压保护动作、造成主回路功率器件和直流母线电容的过压损坏，进而影响系统正常工作，导致系统故障。

为确保系统的稳定运行，保证系统的正常工作，针对逆变侧的回馈能量通常的处理方式基本有两种：（1）能量通过在直流母线电容侧并联的制动单元和制动电阻，以电阻发热的形式消耗掉。采用此种方式接线简单、响应速度较快、易于实现，研发周期短；但也造成能量浪费、增加硬件成本、回馈能量无法预测难以很好的匹配制动电阻、电阻发热影响系统散热效果。（2）能量通过由晶闸管或IGBT组成的外挂逆变单元，实现能量从负载侧向电网侧回馈。采用此种方式解决了能耗制动能量浪费、能耗制动效率低等问题；但是增加了硬件成本，易形成电流回环，能量不能很好地在网侧与负载侧双向流动。

针对现有控制方案的不足，我们将采用分级处理的方式对回馈能量进行优化处理。

1 系统构成

如图1所示，双PWM变频电源包括PWM整流器，中间环节、PWM逆变器和控制器等。PWM整流器由IGBT及其驱动隔离、保护电路构成，PWM整流器的作用是将正弦交流电整流为直流电，提供给中间环节；中间环节包括直流电容和制动单元，直流电容的作用是对整流后的直流电进行滤波和稳压，制动单元的作用是维持直流母线电压的稳定；信号采集电路采集电路中电压、电流信号，采集电压信号包括交流输入电压、直流母线电压，采集电流信号包括交流输入电流、交流输出电流，经A/D变换后传送给控制器；PWM逆变器由IGBT及其驱动隔离、保护电路构成，PWM逆变器的作用是将直流电逆变成频率可调的交流电，向负载提供能量。

控制器采用TI公司TMS320F28335芯片，TMS320F28335具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。控制器实现对系统的所有控制，主要包括PWM整流器和PWM逆变器的算法运算、系统保护、通信等主要功能。

2 实现方式

如图1、图2和图3所示，在停机或系统故障时，负载所储存的电磁能释放，能量由PWM逆变器的功率器件IGBT（VT21和VT24,VT23和VT26,VT25和VT22）集成的续流二极管向直流母线电容(C1和C2)充电，造成直流母线电压泵升。此时ADC信号采样电路采集直流母线电压Udc的实际值，并将实际值经过模数转换后传输给控制器，控制器将直流母线电压Udc的实际值与预设定的阈值Ua和阈值Ub作比较。

图1

图2

图3

如图3所示，当直流母线电压Udc小于阈值Ua时，此时属于正常的动态变化，无回馈能量或回馈能量较小，直流母线电压泵升较低，通过直流母线电容充电进行调节即可。当直流母线电压Udc大于等于阈值Ua并小于阈值Ub时，此时存在较大的回馈能量，控制器判断应采用“能量回馈”处理方式，具体是：控制PWM整流器切换至有源逆变状态，并保持制动电阻R没有制动电流流过；同时，控制器根据各相第一霍尔传感器采集的电网电压，控制PWM整流器将回馈能量逆变成电能时，使其幅值、频率以及相位与当前的电网各相幅值、频率以及相位相一致，以便回馈能量流向电网时，对电网几乎不产生谐波污染。本方式利用了原有的PWM整流的硬件结构，实现了一级能量回馈，降低了成本，还迫使直流母线电压回落至正常范围，避免直流母线电压持续泵升引起故障，损坏直流母线电容。

当直流母线电压Udc大于等于阈值Ub时，表明存在大量的回馈能量，并且回馈能量功率大于PWM整流器有源逆变功率，造成直流母线电压持续泵升，直流母线电容充电和能量回馈方式不能使系统正常运行，此时控制器判断应采用“能耗制动”处理方式，具体为：控制器控制PWM整流器停止工作，脉冲封锁，使制动电阻R有制动电流流过，使制动电阻R释放热量，耗散回馈能量，避免母线直流电压持续泵升的同时，迫使直流母线电压迅速回落，直至直流母线电压Udc小于阈值Ua，此时，没有制动电流流过制动电阻R，制动电阻R在自然散热，降低自身温度，使系统恢复正常工作状态。

3 结束语

通过本方案的方法，利用“一级”能量回馈与“二级”耗散制动相配合的架构，既实现能量在网侧与负载侧的双向流动，又有效保护直流母线电容，同时由于利用PWM整流器电路结构不再增加系统硬件成本，还改善了整流器网侧的功率因数，几乎对电网不产生谐波污染；避免了双PWM变频电源因回馈能量而导致的系统故障，保证了系统的安全可靠运行。