變頻器制動新思路、新方法

1、引言
在通用變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當電動機所傳動的位能負載下放時，電動機將可能處于再生發(fā)電制動狀態(tài)；或當電動機從高速到低速（含停車）減速時，頻率可以突減，但因電機的機械慣性，電機也有可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，傳動系統(tǒng)中所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過逆變器的六個續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態(tài)。這時，如果變頻器中沒采取消耗能量的措施，這部分能量將導致中間回路的儲能電容器的電壓上升。如果當制動過快或機械負載為提升機類時，這部分能量就可能對變頻器帶來損壞，所以這部分能量我們就應該認真考慮考慮了。
在通用變頻器中，對再生能量最常用的處理方式有兩種：1、耗散到直流回路中人為設置的與電容器并聯的"制動電阻"中，稱之為動力制動狀態(tài)；2、使之回饋到電網，則稱之為回饋制動狀態(tài)（又稱再生制動狀態(tài)）。還有一種制動方式，即直流制動，它是用于要求準確停車的情況或起動前制動電機由于外界因素引起的不規(guī)則旋轉。
在書籍、刊物上有許多專家談論過有關變頻器制動方面的設計與應用，尤其是近些時間有過許多關于"能量回饋制動"方面的文章。今天，電氣自動化技術網整理一種新型的制動方法，它具有"回饋制動"的四象限運轉、運行效率高等優(yōu)點，也具有"動力制動"對電網無污染、可靠性高等好處。
2、動力制動：
利用設置在直流回路中的制動電阻吸收電機的再生電能的方式稱為動力制動。（如圖2.1）。
動力制動原理圖

圖2.1 動力制動原理圖
其優(yōu)點是構造簡單；對電網無污染（與回饋制動作比較），成本低廉；缺點是運行效率低，特別是在頻繁制動時將要消耗大量的能量且制動電阻的容量將增大。
一般在通用變頻器中，小功率變頻器（22KW以下）內置有了剎車單元，只需外加剎車電阻。大功率變頻器（22KW以上）就需外置剎車單元、剎車電阻了。
3、回饋制動：
實現能量回饋制動就要求電壓同頻同相控制、回饋電流控制等條件。它是采用有源逆變技術，將再生電能逆變?yōu)榕c電網同頻率同相位的交流電回送電網，從而實現制動（如圖3.1）。

四象限運行圖

圖３.1　四象限運行圖
回饋制動的優(yōu)點是能四象限運行（如圖3.2所示），電能回饋提高了系統(tǒng)的效率。其缺點是：1、只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網電壓下（電網電壓波動不大于10%），才可以采用這種回饋制動方式。因為在發(fā)電制動運行時，電網電壓故障時間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。2、在回饋時，對電網有諧波污染。3、控制復雜，成本較高。
4、新型制動方式（筆者自稱："電容反饋制動"）

4.1可逆斬波器：

可逆斬波器

圖4.1 可逆斬波器
可逆斬波器的電路構成如圖4.1所示。這種斬波器的能量流向可以采用兩個方向，它具有將負載上產生的能量饋送到電源的特點。能量由電源E供給負載上時，器件Q2斷開，由器件Q1和二極管D2起著降壓斬波器的作用；并且，由負載側饋送能量時，器件Q1斷開，由器件Q2和二極管D1起著升壓斬波器的作用。下文將詳細介紹可逆斬波器在能量回饋中的作用。

電容反饋制動主回路原理圖

圖4.2 電容反饋制動主回路原理圖
4.2主回路原理圖（如圖4.2）
4.3系統(tǒng)簡述：
整流部分采用普通的不可控整流橋進行整流（如圖中的VD1——VD6組成），濾波回路采用通用的電解電容（圖中C1、C2），延時回路采用接觸器或可控硅均可（圖中Ｔ1）。充電、反饋回路采用可逆斬波器的原理由功率模塊IGBT（圖中VT1、VT2）、充電、反饋電抗器L及大電解電容Ｃ（容量為法拉級，可根據變頻器所在的工況系統(tǒng)決定）組成。逆變部分由功率模塊IGBT組成（如圖VT5-VT10）。大電解電容的保護回路，由芯片和IGBT、功率電阻完成。
4.4原理分析：
4.4.1 電動機發(fā)電運行狀態(tài)：CPU對輸入的交流電壓和直流回路電壓 的實時監(jiān)控，決定向VT1是否發(fā)出充電信號，一旦 比輸入交流電壓所對應的直流基準電壓值（如380VAC-530VDC）高到一定值時，CPU關斷VT3，通過對VT1的脈沖導通實現對電解電容C的充電過程。此時的電抗器L與電解電容C分壓，從而確保電解電容C工作在安全范圍內。當電解電容C上的電壓快到危險值（比如說370V），而系統(tǒng)仍處于發(fā)電狀態(tài)，電能不斷通過逆變部分回送到直流回路中時，安全回路發(fā)揮作用，實現能耗制動（電阻制動），控制VT3的關斷與開通，從而實現電阻R消耗多余的能量，一般這種情況是不會出現的。
4.4.2 電動機電動運行狀態(tài)：當CPU發(fā)現系統(tǒng)不再充電時，則對VT3進行脈沖導通，使得在電抗器L上行成了一個瞬時左正右負的電壓（如圖標識），再加上電解電容C上的電壓就能實現從電容到直流回路的能量反饋過程。CPU通過對電解電容C上的電壓和直流回路的電壓的檢測，控制VT3的開關頻率以及占空比,從而控制反饋電流，確保直流回路電壓 不出現過高。
5系統(tǒng)難點：
5.1電抗器的選?。?/span>
（a）、我們考慮到工況的特殊性，假設系統(tǒng)出現某種故障，導致電機所載的位能負載自由加速下落，這時電機處于一種發(fā)電運行狀再生能量通過六個續(xù)流二極管回送至直流回路，致使 升高，很快使變頻器處于充電狀態(tài)，這時的電流會很大。所以所選取電抗器線徑要大到能通過此時的電流。
（b）、在反饋回路中，為了使電解電容在下次充電前把盡可能多的電能釋放出來，選取普通的鐵芯（硅鋼片）是不能達到目的的，最好選用鐵氧體材料制成的鐵芯。
5.2控制上的難點：
（a）、變頻器的直流回路中，電壓 一般都高于500VDC，而電解電容Ｃ的耐壓才400VDC，可見這種充電過程的控制就不像能量制動（電阻制動）的控制方式了。其在電抗器上所產生的瞬時電壓降為 ，電解電容Ｃ的瞬時充電電壓為 ，為了確保電解電容工作在安全范圍內（≤400V），就得有效的控制電抗器上的電壓降 ，而電壓降 又取決于電感量和電流的瞬時變化率。
（b）、在反饋過程中，還得防止電解電容Ｃ所放的電能通過電抗器造成直流回路電壓過高，以致系統(tǒng)出現過壓保護。
6、主要應用場合及應用實例：
正是由于變頻器的這種新型制動方式（電容反饋制動）所具有的優(yōu)越性，近些來，不少用戶結合其設備的特點，紛紛提出了要配備這種系統(tǒng)。國內目前山東風光電子公司由以前采用回饋制動方式的變頻器（仍有2臺在正常運行中）改用了這種電容反饋制動方式的新型礦用提升機系列，到目前為止，這種電容反饋制動的變頻器正長期正常運行在山東寧陽保安煤礦及山西太原等地，填補了國內這一空白。
隨著變頻器應用領域的拓寬，這個應用技術將大有發(fā)展前途，具體來講，主要用在礦井中的吊籠（載人或裝料）、斜井礦車（單筒或雙筒）、起重機械等行業(yè)。總之需要能量回饋裝置的場合都可選用。