0 引言

　　基于電壓源逆變器的通用變速驅動器輸入側一般采用二極管整流，能量無法雙向流動，在電動機制動期間，能量從電機側反饋至直流側，導致直流側電壓升高，通常的解決方法是在直流側增加由電阻和功率器件組成的制動單元，由電阻消耗掉多余的能量［1］，保持直流側的功率平衡。這種方法實現(xiàn)簡單，可靠性高，但是能量是以發(fā)熱的形式被消耗掉，對于需要頻繁制動和大功率的應用場合，會造成能量的浪費，降低了變速驅動系統(tǒng)的效率。

　　還有直流制動和電機耗能型制動的方法［2］。直流制動是在電機氣隙中疊加靜止的磁場，當轉子線圈與此靜止磁場相互作用時，線圈上感應的電壓產(chǎn)生轉子電流，與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生反方向的制動力矩，直流制動不需要額外的硬件投入，但在高轉速時有效的制動力矩相當?shù)汀ｋ姍C內(nèi)部消耗動能的制動方法也不需要制動單元，通過控制轉差率，使儲存

　　在電機轉子上的動能幾乎全消耗在電機內(nèi)部，而不會回饋到直流側。這兩種方法適用于非頻繁制動、制動容量較小的場合，也可以同制動單元一起使用以增加制動容量，但是能量也是以發(fā)熱的形式被消耗掉，因此存在和使用制動電阻時同樣的問題。

　　因此，能量的再生制動方式受到了廣泛關注，通過對電機變速驅動器的調(diào)整，使能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動，把電機制動時直流側多余的能量回饋至電網(wǎng)，實現(xiàn)能量的再生利用，達到節(jié)能效果，提高變速驅動設備的效率。本文對國內(nèi)外適用于電機變速驅動器的再生電路進行了總結，對基于能量存儲設備、共用直流母線和基于電力電子變換器的再生電路進行了分析和討論，并針對目前多電平變換器在大功率變速驅動中的應用，對多電平變換器的再生電路也進行了討論，以期為變速驅動器再生制動電路的選擇提供參考。

　　1 基于能量存儲設備的再生電路

　　圖1是使用能量存儲設備的再生電路，儲能設備通過能量可以雙向流動的DC/DC 變換器和直流側相連。正常運行時，DC/DC變換器不參與工作，當電機需要制動時，其運行轉入發(fā)電狀態(tài)，能量通過逆變器進入直流側，此時啟動DC/DC 變換器，使其工作在Buck 電路狀態(tài)，對儲能設備進行充電；貯存在儲能設備中的能量也可以通過DC/DC 變換器釋放到直流側，從而實現(xiàn)了能量的再生利用［3］。能量存儲設備可以選擇蓄電池、超級電容器等，這種方式把驅動系統(tǒng)制動或減速時的能量送到存儲設備中保存起來，達到了節(jié)能的效果，適用于需要頻繁上下坡或加減速調(diào)節(jié)的電動汽車、摩托車、觀光旅游電瓶車等。

　　儲能設備的容量決定了再生制動的能力，而儲能設備容量大時，體積和重量都會較大，成本也會相應提高，同時儲能設備還需要維護，因此這種方式適用于再生能量較小的場合。

　　2 基于共用直流母線的再生電路

　　如果有多個變速驅動器通過直流母線互聯(lián)，一個或多個電動機產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電動機以電動的方式消耗吸收，原理圖如圖2 所示，圖中只有兩個系統(tǒng)通過直流母線互聯(lián)，實際中可以是多個互聯(lián)。當電機1和電機2都處于電動狀態(tài)時，需要的能量由電網(wǎng)供給；當電機1處于電動狀態(tài)，電機2 處于發(fā)電狀態(tài)，則電機2反饋的能量可以通過共用的直流

　　母線由電機1消耗；因為這類系統(tǒng)通常包括多個變速驅動器，當有電機處于發(fā)電狀態(tài)時，一般都有電機處于電動狀態(tài)，因此自身即可以實現(xiàn)能量的再生利用。

　　當對制動性能要求較高時，考慮到多個電動機都處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài)，這時需要增加常規(guī)的制動單元以便在非常時刻起作用，也可以采用再生回饋裝置將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)

　　　　采用共用直流母線的再生方式，具有以下特點：共用直流母線和共用制動單元，可以大大減少整流器和制動單元的重復配置，結構簡單合理，經(jīng)濟可靠；共用直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲能容量大；各電動機工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補，可以優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)特性；提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波電流，提高系統(tǒng)用電效率。

　　通用變頻器共用直流母線的再生方式目前已經(jīng)在工業(yè)領域的很多機械設備上得到應用，如離心機、化纖設備、造紙機等，實現(xiàn)容易，不用額外增加成本，系統(tǒng)故障率低，可靠性高，能較好地實現(xiàn)節(jié)能。但是，這種方式只能用于一定的場合，即有多個變速驅動器共同使用的情況，同時要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機容量要比處于電動狀態(tài)的電機容量小很多，才能保證系統(tǒng)處于比較穩(wěn)定的運行狀態(tài)［5］。

　　0 引言

　　基于電壓源逆變器的通用變速驅動器輸入側一般采用二極管整流，能量無法雙向流動，在電動機制動期間，能量從電機側反饋至直流側，導致直流側電壓升高，通常的解決方法是在直流側增加由電阻和功率器件組成的制動單元，由電阻消耗掉多余的能量［1］，保持直流側的功率平衡。這種方法實現(xiàn)簡單，可靠性高，但是能量是以發(fā)熱的形式被消耗掉，對于需要頻繁制動和大功率的應用場合，會造成能量的浪費，降低了變速驅動系統(tǒng)的效率。

　　還有直流制動和電機耗能型制動的方法［2］。直流制動是在電機氣隙中疊加靜止的磁場，當轉子線圈與此靜止磁場相互作用時，線圈上感應的電壓產(chǎn)生轉子電流，與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生反方向的制動力矩，直流制動不需要額外的硬件投入，但在高轉速時有效的制動力矩相當?shù)汀ｋ姍C內(nèi)部消耗動能的制動方法也不需要制動單元，通過控制轉差率，使儲存

　　在電機轉子上的動能幾乎全消耗在電機內(nèi)部，而不會回饋到直流側。這兩種方法適用于非頻繁制動、制動容量較小的場合，也可以同制動單元一起使用以增加制動容量，但是能量也是以發(fā)熱的形式被消耗掉，因此存在和使用制動電阻時同樣的問題。

　　因此，能量的再生制動方式受到了廣泛關注，通過對電機變速驅動器的調(diào)整，使能量可以在電網(wǎng)和電機之間雙向流動，把電機制動時直流側多余的能量回饋至電網(wǎng)，實現(xiàn)能量的再生利用，達到節(jié)能效果，提高變速驅動設備的效率。本文對國內(nèi)外適用于電機變速驅動器的再生電路進行了總結，對基于能量存儲設備、共用直流母線和基于電力電子變換器的再生電路進行了分析和討論，并針對目前多電平變換器在大功率變速驅動中的應用，對多電平變換器的再生電路也進行了討論，以期為變速驅動器再生制動電路的選擇提供參考。

　　1 基于能量存儲設備的再生電路

　　圖1是使用能量存儲設備的再生電路，儲能設備通過能量可以雙向流動的DC/DC 變換器和直流側相連。正常運行時，DC/DC變換器不參與工作，當電機需要制動時，其運行轉入發(fā)電狀態(tài)，能量通過逆變器進入直流側，此時啟動DC/DC 變換器，使其工作在Buck 電路狀態(tài)，對儲能設備進行充電；貯存在儲能設備中的能量也可以通過DC/DC 變換器釋放到直流側，從而實現(xiàn)了能量的再生利用［3］。能量存儲設備可以選擇蓄電池、超級電容器等，這種方式把驅動系統(tǒng)制動或減速時的能量送到存儲設備中保存起來，達到了節(jié)能的效果，適用于需要頻繁上下坡或加減速調(diào)節(jié)的電動汽車、摩托車、觀光旅游電瓶車等。

　　儲能設備的容量決定了再生制動的能力，而儲能設備容量大時，體積和重量都會較大，成本也會相應提高，同時儲能設備還需要維護，因此這種方式適用于再生能量較小的場合。

　　2 基于共用直流母線的再生電路

　　如果有多個變速驅動器通過直流母線互聯(lián)，一個或多個電動機產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電動機以電動的方式消耗吸收，原理圖如圖2 所示，圖中只有兩個系統(tǒng)通過直流母線互聯(lián)，實際中可以是多個互聯(lián)。當電機1和電機2都處于電動狀態(tài)時，需要的能量由電網(wǎng)供給；當電機1處于電動狀態(tài)，電機2 處于發(fā)電狀態(tài)，則電機2反饋的能量可以通過共用的直流

　　母線由電機1消耗；因為這類系統(tǒng)通常包括多個變速驅動器，當有電機處于發(fā)電狀態(tài)時，一般都有電機處于電動狀態(tài)，因此自身即可以實現(xiàn)能量的再生利用。

　　當對制動性能要求較高時，考慮到多個電動機都處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài)，這時需要增加常規(guī)的制動單元以便在非常時刻起作用，也可以采用再生回饋裝置將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中［4］。

　　采用共用直流母線的再生方式，具有以下特點：共用直流母線和共用制動單元，可以大大減少整流器和制動單元的重復配置，結構簡單合理，經(jīng)濟可靠；共用直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲能容量大；各電動機工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補，可以優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)特性；提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波電流，提高系統(tǒng)用電效率。

　　通用變頻器共用直流母線的再生方式目前已經(jīng)在工業(yè)領域的很多機械設備上得到應用，如離心機、化纖設備、造紙機等，實現(xiàn)容易，不用額外增加成本，系統(tǒng)故障率低，可靠性高，能較好地實現(xiàn)節(jié)能。但是，這種方式只能用于一定的場合，即有多個變速驅動器共同使用的情況，同時要求處于發(fā)電狀態(tài)的電機容量要比處于電動狀態(tài)的電機容量小很多，才能保證系統(tǒng)處于比較穩(wěn)定的運行狀態(tài)［5］。

　　3 基于電力電子變換器的再生電路

　　3.1 基于晶閘管的再生電路

　　利用晶閘管構成逆變器，可以把電機制動時直流側多余的能量回饋到電網(wǎng)，實現(xiàn)能量的再生利用，圖3是基于晶閘管的再生電路。是一種常規(guī)的方法，使用晶閘管橋與二極管構成的整流橋反向并聯(lián)，要實現(xiàn)晶閘管橋能量回饋時的自然換相，必須使電網(wǎng)的峰值電壓超過直流側電壓，而這對于前端使用二極管整流的通用變速驅動器來說，比較困難，因為正常運行時，直流側電壓已經(jīng)與電網(wǎng)的峰值電壓比較接近，當制動時直流側的電壓只會更高。為解決這一問題，可以采用和的電路結構，晶閘管橋通過變壓器與電網(wǎng)側連接，從晶閘管橋的角度看，等于升高了電網(wǎng)電壓，擴大了換相區(qū)域；將二極管整流器調(diào)整為晶閘管整流橋，使直流側電壓可控，通過適當降低直流側電壓的設定值，保證能量再生時逆變晶閘管橋有足夠的換相區(qū)域［6］。

　　　　3.2 基于晶閘管與自關斷器件混合使用的再生電路

　　為了克服單純使用晶閘管時，再生電路無法自關斷、必須依靠線電壓換相的缺陷，可以通過增加自關斷器件如IGBT等，與晶閘管橋配合使用，保證其可靠換相，圖4是晶閘管與自關斷器件混合使用的再生電路。在輸入晶閘管橋和直流側之間增加了反向電路，正常運行時，IGBT 不工作，能量通過二極管由整流器流入直流側，當需要再生制動時，使IGBT 導通，使加在晶閘管橋上的直流側電壓反向，晶閘管橋由整流橋轉變?yōu)槟孀儤颍?］。

　　采用晶閘管橋與單個IGBT 構成再生電路，通過GBT控制晶閘管橋的工作區(qū)間，使能量再生時晶閘管逆變器可以工作在網(wǎng)側線電壓最大的區(qū)域，這種方式結構和控制簡單，不需要增加無源器件如網(wǎng)側電感或變壓器等即可實現(xiàn)可靠換相，并且能一定程度地提高輸入側功率因數(shù)［7］。是在晶閘管逆變橋的兩端各增加一個自關斷器件，控制方法與類似，但是更加靈活；整流橋采用三相半控橋，晶閘管逆變橋輸入端并聯(lián)了續(xù)流二極管，這兩個電路可以認為是變形，但是可靠性要更高。中，在直流側能量通過逆變晶閘管橋回饋至電網(wǎng)期間，三相半控橋的晶閘管處于關斷狀態(tài)，通過在晶閘管橋兩側增加續(xù)流二極管，使能量再生結束時，逆變晶閘管橋中的電流可以通過自身續(xù)流，而不必像那樣，需要通過三相不控整流橋的二極管續(xù)流。

　　3.3 基于自關斷器件的再生電路

　　前面兩種使用晶閘管的再生電路，向電網(wǎng)回饋的能量中通常含有較大的諧波成分，而采用自關斷器件的再生電路可以較好地解決這個問題，基于自關斷器件的再生電路。雙PWM變換器目前很常用，通常基于IGBT等自關斷器件，能夠方便地實現(xiàn)能量的雙向流動，正常運行時，能量由電網(wǎng)流向電機，PWM 整流器保持直流側電壓恒定，實現(xiàn)輸入側的功率因數(shù)校正（PFC）功能，需要再生制動時，能量由電機側流向電網(wǎng)，保證回饋至電網(wǎng)的電流無諧波。這種方式功能強大，控制靈活，但使用的全控型功率器件較多，需要輸入側濾波電感，控制也較復雜，因而成本較高。

　　在通用變速驅動器電路基礎上增加了PWM逆變器作為能量再生電路，逆變器的輸入側通過隔離二極管和直流側連接，輸出側通過電感和變速驅動器的輸入側相連。當電機電動運行時，再生

　　PWM逆變器不工作，當電機處于再生發(fā)電狀態(tài)時，能量由電機側回饋至直流側，導致直流母線電壓升高，當直流母線電壓超過電網(wǎng)線電壓峰值時，不控整流橋由于承受反壓而關斷，當直流母線電壓繼續(xù)升高并超過再生逆變器的啟動電壓時，逆變器開始工作，將能量從直流側回饋電網(wǎng)，當直流母線電壓下降到設定的關閉電壓時，關閉再生逆變器［8］。和電路一樣，這種方式也可以保證回饋至電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證電動機的精確制動，通過與通用變速驅動器配合使用拓寬了應用范圍，和雙PWM 變換器比較，具有一定的成本優(yōu)勢。　　

　　4 多電平變速驅動器的再生電路

　　為滿足電機驅動對高壓、大功率和高品質(zhì)變速驅動器的需求，多電平變換器拓撲得到了廣泛關注，變速驅動器采用多電平方式后，可以在常規(guī)功率器件耐壓基礎上，實現(xiàn)高電壓等級，獲得更多級（臺階）的輸出電壓，使波形更接近正弦，諧波含量少，電壓變化率小，并獲得更大的輸出容量。對于大功率電機驅動設備，能量再生利用顯得尤為重要，可以顯著實現(xiàn)節(jié)能效果，提高經(jīng)濟效益。

　　多電平變換器具體電路拓撲可分為5 類：二極管箝位型、雙向開關互聯(lián)型、飛跨電容型、兩電平變流器組合型、單相H 橋級聯(lián)型等［9］。多單元兩電平變流器組合型拓撲已被證明是高壓變頻器的有效選擇，可以提高交流輸入側和電機側的電能質(zhì)量，但是輸入側通常采用二極管整流，缺乏再生運行模式，輸入側功率因數(shù)不可控，每個單元注入直流側的電流諧波較大，導致直流側必須使用較大容量的電解電容，如果以有源前端整流器代替基于二極管的輸入整流器，則可以解決這些缺陷［10］。文獻［11］對適用于多電平拓撲的再生單元進行了分析，提出了一種新的再生單元，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，通過再生單元的組合，可以構造適于能量再生的組合型多電平拓撲。

　　二極管箝位型多電平拓撲結構簡單，控制靈活，近年來在大功率變頻調(diào)速、無功補償、大功率穩(wěn)壓電源等方面均有較多的應用，但是隨著電平數(shù)的增多，箝位器件的數(shù)目也會增多，導致系統(tǒng)的實現(xiàn)比較困難，因此在大功率場合，以三電平、五電平應用居多。二極管箝位型三電平雙PWM變換器在變速驅動系統(tǒng)中的應用，功能和兩電平雙PWM變換器相似，功率器件和電容增加了一倍，并額外增加了箝位二極管，可以方便地實現(xiàn)電動機的再生制動，文獻［12］比較了幾種應用于多電平變速驅動器的再生電路，包括前端整流和能量再生采用雙晶閘管橋的拓撲，認為從能量再生的角度考慮，拓撲是較好的選擇。

　　5 結語

　　再生制動功能對變速驅動器有著非常重要的意義，可以有效提高系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)節(jié)能目的。本文通過對變速驅動器各種再生電路的分析和討論，為實際應用的選擇提供參考。基于能量存儲設備和共用直流母線的再生電路，適用于一些特定的應用場合。基于電力電子變換器的再生電路，目前的使用非常多，其中使用晶閘管的再生電路，成本較低，容易實現(xiàn)大功率等級，但是由于晶閘管是半控型器件，必須考慮其換相的問題，需要采取措施保證其可靠換相，同時會向電網(wǎng)注入一定的諧波電流；基于全控型器件的再生電路，盡管成本相對較高，但是性能優(yōu)良，既能方便地實現(xiàn)能量的雙向流動，又能顯著提高電網(wǎng)側的電能質(zhì)量，因此具有較好的應用前景。對于應用于多電平拓撲的再生電路，三電平雙PWM變換器也是一種優(yōu)選的方案。