再生解决方案

在当今的工业市场中，保持高效率的运营非常重要。此外，用户正在寻找方法，不仅使他们的系统有效运行，而且还提供经济效益。经济效益体现在节约可再生能源上。

大多数系统使用动态制动电阻来减少再生能量。然而，电阻器的再生能源减缓的方法是燃烧掉能量作为热。从本质上讲，这种能量是浪费的。为了避免浪费能源，许多用户正在实施可再生解决方案。

再生解决方案是将能量引导回线路的安全方法。这些系统可以偿还再生装置和操作电机的变频驱动器(VFD)的成本。常见的再生解决方案包括基本前端、有源前端和矩阵驱动技术。除了重定向再生外，这些系统中的每一个都因其提供的好处而有所区别。这些额外的好处包括减少谐波、提高功率因数、提高效率、简化安装、集成电机控制和紧凑的尺寸。

动态制动方案

消耗再生能量最常见的方法是使用制动电阻将其燃烧掉(图1)。这种方法的优点是成本低，而且可能简单。较小的驱动器有一个额外的内置开关(IGBT)，以将额外的功率转移到电阻。因此，你所需要的只是一个外部电阻来燃烧掉额外的能量。这是一个非常简单的概念，但如果你有大量的再生能源或变频器没有内置的制动开关，那么你需要一个或多个外部开关和电阻。因此，动态制动解决方案会变得相当复杂和昂贵。

除了像烤面包机一样以热量的形式燃烧掉多余的能量外，加热元件还存在安全风险。如果可燃材料，如木屑，落在热电阻元件上，就可能引起火灾。此外，驱动器内部用于将再生能量转移到电阻器上的制动开关的能力也有限。这些内部制动开关通常额定占空比为10%，这意味着如果需要长时间消耗再生，这些组件可能会变得相当大且复杂。

基础前端

基本前端(FFE)是可用于节省再生能源的第一个选项(图2)。FFE连接到VFD的直流母线，允许它使用6步电压波形将额外的能量重定向到线路上。这些系统通常需要更多的组件，而不是一个简单的动态制动包。ffe需要一个额外的再生模块、设备保护(熔断器)和输入滤波(电抗器)。简单的6步再生波形，以及有限的反应器滤波，意味着这些器件的输入电流谐波约为40% iTHD。

此外，ffe仍然需要VFD来运行电机。根据再生占空比的不同，FFEs可能比占空比10%的动态制动套件更昂贵。然而，当可再生能源占到应用占空比的20%以上时，FFEs很快成为一种更经济的解决方案。

主动前端

更先进的再生解决方案是主动前端(AFE)。它们由一个再生转换器和一个输入滤波电路组成(图3)。与FFE不同，AFE与VFD的输入功率保持一致。蓄热式转换器为驱动电机的驱动器提供直流输出。这意味着AFE必须同时调节电机功率和再生功率。

AFE通过将可再生能量放回线路来节约能源。然而，与FFE不同的是，AFE使用脉冲宽度调制(PWM)波形重新生成到线路上。然后使用输入正弦波滤波器对PWM波形进行滤波。高电平波形和滤波提供了具有最小输入电流谐波的波形。在额定功率条件下，AFE将保持驱动器输入电流谐波小于5%。

伴随着较低的谐波电流是一个较高的功率因数。AFE可以在额定负载下运行接近单位功率因数，提高运行效率。与FFE类似，AFE仍然需要一个驱动器来运行电机。添加的组件和线路使AFE包比FFE更大，更昂贵。

AFE配置的理想用途是为多个驱动器负载提供一个公共直流总线。在公共总线配置中，AFE最大限度地减少额定负载下的输入电流谐波，并处理连接到其直流总线上的所有设备的再生需求。

矩阵驱动技术

最后和最先进的再生解决方案使用矩阵驱动技术。与传统的驱动不同，矩阵驱动技术采用一个由9个双向开关组成的系统，将三相交流输入电压直接转换为三相交流输出电压。矩阵驱动独特的功率转换拓扑消除了传统交流驱动逆变器中整流电路(二极管桥)和直流平滑电路(直流母线电容器)的需要。

矩阵驱动器固有地处理再生使用他们的双向igbt。这些双向开关允许瞬时和自动再生。矩阵驱动技术允许在VFD的额定电流下连续再生，额外的150%再生过载持续60秒。使用矩阵驱动器简化了布线和安装，因为它们简单的三线进和三线出电源布线要求。

AFE增加了元件以减少输入电流谐波。然而，矩阵式驱动器在操作电机时自然地产生低谐波电流。没错，矩阵驱动驱动马达。不需要额外的设备来操作电机。运行电机和处理再生的能力已经内置在矩阵驱动器中。矩阵驱动器不仅在额定负载下具有低谐波，以促进IEEE 519的一致性，而且它们在整个负载配置中继续吸收低谐波电流。较低的谐波意味着较高的功率因数在整个运行和接近单位功率因数在额定负载。更高的功率因数和更低的输入电流谐波使矩阵驱动器比AFE和VFD组合解决方案更有效地运行。

做出最好的选择

处理可再生能源有许多可行的解决方案。那么，哪种解决方案是最好的呢?这取决于应用程序的附加需求。制动电阻，ffe, AFEs和矩阵驱动技术都处理再生能源。

制动电阻是理想的光再生应用，如仅发生在紧急情况下的强制减速(E-Stop)。在这些情况下，节省的能源将永远不足以偿还更先进的再生解决方案的成本。

然而，如果再生发生得更频繁，那么制动电阻包可以相当大。这些封装总是会消耗掉额外的能量(没有节省任何能量)，而且它们不能提供更好的功率因数或更低的谐波。

FFE封装将能量再生回线路，节省能源。它们是再生的次优解决方案。然而，它们可能比制动组件更大，而且对于提高功率因数和降低电流谐波没有任何作用。AFEs通过提供低输入电流谐波和高功率因数提供了下一个最佳的再生解决方案。然而，它们比ffe更昂贵、更大、更复杂。afe理想地适用于普通总线配置。矩阵式驱动技术提供全方位的最佳解决方案。矩阵驱动器提供了一个低谐波，高功率因数，高效的再生解决方案在一个简单，易于安装，和紧凑的配置。

克里斯托弗Jaszczolt他就职于安川美国公司的Matrix驱动器产品管理团队。

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