變頻器制動(dòng)新思路、新方法

1、引言
在通用變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)將可能處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)；或當(dāng)電動(dòng)機(jī)從高速到低速（含停車）減速時(shí)，頻率可以突減，但因電機(jī)的機(jī)械慣性，電機(jī)也有可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的六個(gè)續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。這時(shí)，如果變頻器中沒采取消耗能量的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路的儲(chǔ)能電容器的電壓上升。如果當(dāng)制動(dòng)過快或機(jī)械負(fù)載為提升機(jī)類時(shí)，這部分能量就可能對(duì)變頻器帶來損壞，所以這部分能量我們就應(yīng)該認(rèn)真考慮考慮了。
在通用變頻器中，對(duì)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(shè)置的與電容器并聯(lián)的"制動(dòng)電阻"中，稱之為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)；2、使之回饋到電網(wǎng)，則稱之為回饋制動(dòng)狀態(tài)（又稱再生制動(dòng)狀態(tài)）。還有一種制動(dòng)方式，即直流制動(dòng)，它是用于要求準(zhǔn)確停車的情況或起動(dòng)前制動(dòng)電機(jī)由于外界因素引起的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)。
在書籍、刊物上有許多專家談?wù)撨^有關(guān)變頻器制動(dòng)方面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，尤其是近些時(shí)間有過許多關(guān)于"能量回饋制動(dòng)"方面的文章。今天，電氣自動(dòng)化技術(shù)網(wǎng)整理一種新型的制動(dòng)方法，它具有"回饋制動(dòng)"的四象限運(yùn)轉(zhuǎn)、運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，也具有"動(dòng)力制動(dòng)"對(duì)電網(wǎng)無污染、可靠性高等好處。
2、動(dòng)力制動(dòng)：
利用設(shè)置在直流回路中的制動(dòng)電阻吸收電機(jī)的再生電能的方式稱為動(dòng)力制動(dòng)。（如圖2.1）。
動(dòng)力制動(dòng)原理圖

圖2.1 動(dòng)力制動(dòng)原理圖
其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單；對(duì)電網(wǎng)無污染（與回饋制動(dòng)作比較），成本低廉；缺點(diǎn)是運(yùn)行效率低，特別是在頻繁制動(dòng)時(shí)將要消耗大量的能量且制動(dòng)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(nèi)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(dòng)：
實(shí)現(xiàn)能量回饋制動(dòng)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(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)（如圖3.1）。

四象限運(yùn)行圖

圖３.1　四象限運(yùn)行圖
回饋制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能四象限運(yùn)行（如圖3.2所示），電能回饋提高了系統(tǒng)的效率。其缺點(diǎn)是：1、只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下（電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大于10%），才可以采用這種回饋制動(dòng)方式。因?yàn)樵诎l(fā)電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓故障時(shí)間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。2、在回饋時(shí)，對(duì)電網(wǎng)有諧波污染。3、控制復(fù)雜，成本較高。
4、新型制動(dòng)方式（筆者自稱："電容反饋制動(dòng)"）

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(gòu)成如圖4.1所示。這種斬波器的能量流向可以采用兩個(gè)方向，它具有將負(fù)載上產(chǎn)生的能量饋送到電源的特點(diǎn)。能量由電源E供給負(fù)載上時(shí)，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(fù)載側(cè)饋送能量時(shí)，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(xì)介紹可逆斬波器在能量回饋中的作用。

電容反饋制動(dòng)主回路原理圖

圖4.2 電容反饋制動(dòng)主回路原理圖
4.2主回路原理圖（如圖4.2）
4.3系統(tǒng)簡(jiǎn)述：
整流部分采用普通的不可控整流橋進(jìn)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(shí)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(jí)，可根據(jù)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(hù)回路，由芯片和IGBT、功率電阻完成。
4.4原理分析：
4.4.1 電動(dòng)機(jī)發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)：CPU對(duì)輸入的交流電壓和直流回路電壓 的實(shí)時(shí)監(jiān)控，決定向VT1是否發(fā)出充電信號(hào)，一旦 比輸入交流電壓所對(duì)應(yīng)的直流基準(zhǔn)電壓值（如380VAC-530VDC）高到一定值時(shí)，CPU關(guān)斷VT3，通過對(duì)VT1的脈沖導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)對(duì)電解電容C的充電過程。此時(shí)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(nèi)。當(dāng)電解電容C上的電壓快到危險(xiǎn)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(shí)，安全回路發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)（電阻制動(dòng)），控制VT3的關(guān)斷與開通，從而實(shí)現(xiàn)電阻R消耗多余的能量，一般這種情況是不會(huì)出現(xiàn)的。
4.4.2 電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)：當(dāng)CPU發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不再充電時(shí)，則對(duì)VT3進(jìn)行脈沖導(dǎo)通，使得在電抗器L上行成了一個(gè)瞬時(shí)左正右負(fù)的電壓（如圖標(biāo)識(shí)），再加上電解電容C上的電壓就能實(shí)現(xiàn)從電容到直流回路的能量反饋過程。CPU通過對(duì)電解電容C上的電壓和直流回路的電壓的檢測(cè)，控制VT3的開關(guān)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(xiàn)過高。
5系統(tǒng)難點(diǎn)：
5.1電抗器的選?。?/span>
（a）、我們考慮到工況的特殊性，假設(shè)系統(tǒng)出現(xiàn)某種故障，導(dǎo)致電機(jī)所載的位能負(fù)載自由加速下落，這時(shí)電機(jī)處于一種發(fā)電運(yùn)行狀再生能量通過六個(gè)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(shí)的電流會(huì)很大。所以所選取電抗器線徑要大到能通過此時(shí)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(dá)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(diǎn)：
（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(dòng)（電阻制動(dòng)）的控制方式了。其在電抗器上所產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓降為 ，電解電容Ｃ的瞬時(shí)充電電壓為 ，為了確保電解電容工作在安全范圍內(nèi)（≤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(shí)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(xiàn)過壓保護(hù)。
6、主要應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用實(shí)例：
正是由于變頻器的這種新型制動(dòng)方式（電容反饋制動(dòng)）所具有的優(yōu)越性，近些來，不少用戶結(jié)合其設(shè)備的特點(diǎn)，紛紛提出了要配備這種系統(tǒng)。國內(nèi)目前山東風(fēng)光電子公司由以前采用回饋制動(dòng)方式的變頻器（仍有2臺(tái)在正常運(yùn)行中）改用了這種電容反饋制動(dòng)方式的新型礦用提升機(jī)系列，到目前為止，這種電容反饋制動(dòng)的變頻器正長期正常運(yùn)行在山東寧陽保安煤礦及山西太原等地，填補(bǔ)了國內(nèi)這一空白。
隨著變頻器應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，這個(gè)應(yīng)用技術(shù)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(jī)械等行業(yè)。總之需要能量回饋裝置的場(chǎng)合都可選用。