制動單元與制動電阻的選配方案

1 前 言

不少的生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中需要快速地減速或停車，而有些設(shè)備在生產(chǎn)中要求保持若干臺設(shè)備前后一定的轉(zhuǎn)速差或者拉伸率，這時就會產(chǎn)生發(fā)電制動的問題，使電機(jī)運(yùn)行在第二或第四象限。然而在實際應(yīng)用中，由于大多通用變頻器都采用電壓源的控制方式，其中間直流環(huán)節(jié)有大電容鉗制著電壓，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控整流橋，不能使電流反向，因此要實現(xiàn)回饋制動和四象限運(yùn)行就比較困難。

圖一 變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運(yùn)行狀態(tài)

圖一所示為變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運(yùn)行狀態(tài)，即電動和發(fā)電。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的降速和停機(jī)是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的，在頻率減小的瞬間，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速w1小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180度，電機(jī)從電動狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時，電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩Te，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，電機(jī)處于再生制動狀態(tài)。電機(jī)再生的電能P經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路。由于直流電路的電能無法通過整流橋回饋到電網(wǎng)，僅靠變頻器本身的電容吸收，雖然其他部分能消耗電能，但電容仍有短時間的電荷堆積，形成“泵升電壓”，使直流電壓Ud升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。

因此，對于負(fù)載處于發(fā)電制動狀態(tài)中必須采取必需的措施處理這部分再生能量。本文闡述的就是處理再生能量的方法：能耗制動和回饋制動。

2 能耗制動的工作方式

能耗制動采用的方法是在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現(xiàn)制動（如圖二所示）。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，因此又被稱為“電阻制動”，它包括制動單元和制動電阻二部分。

2.1 制動單元

制動單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓Ud超過規(guī)定的限值時（如660V或710V），接通耗能電路，使直流回路通過制動電阻后以熱能方式釋放能量。制動單元可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于小功率的通用變頻器，后者則是適用于大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工況中。從原理上講，二者并無區(qū)別，都是作為接通制動電阻的“開關(guān)”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動電路。

2.2 制動電阻

制動電阻是用于將電機(jī)的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數(shù)。通常在工程上選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻兩種：前者采用表面立式波紋有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無機(jī)涂層，有效保護(hù)電阻絲不被老化，延長使用壽命；后者電阻器耐氣候性、耐震動性，優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛應(yīng)用于高要求惡劣工控環(huán)境使用，易緊密安裝、易附加散熱器，外型美觀。

2.3 制動過程

能耗制動的過程如下：

A、當(dāng)電機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時（包括被拖動），電機(jī)即以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高；

B、當(dāng)直流電壓到達(dá)制動單元開的狀態(tài)時，制動單元的功率管導(dǎo)通，電流流過制動電阻；C、制動電阻消耗電能為熱能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線電壓也降低；

D、母線電壓降至制動單元要關(guān)斷的值，制動單元的功率管截止，制動電阻無電流流過；E、采樣母線電壓值，制動單元重復(fù)ON/OFF過程，平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.4 安裝要求

制動單元與變頻器之間，以及制動單元與電阻之間的配線距離要盡可能短（線長在2m以下），導(dǎo)線要足夠粗；

制動單元在工作時，電阻將大量發(fā)熱，應(yīng)此要充分注意散熱，并使用耐熱導(dǎo)線，導(dǎo)線請勿觸及電阻器；

放電功率電阻應(yīng)使用絕緣擋片固定牢固，安裝位置要確保良好散熱，建議電阻器安裝在電控柜頂部。

2.5 制動單元與制動電阻的選配

A、首先估算出制動轉(zhuǎn)矩

一般情況下，在進(jìn)行電機(jī)制動時，電機(jī)內(nèi)部存在一定的損耗，約為額定轉(zhuǎn)矩的18%-22%左右，因此計算出的結(jié)果在小于此范圍的話就無需接制動裝置；

B、接著計算制動電阻的阻值

在制動單元工作過程中，直流母線的電壓的升降取決于常數(shù)RC，R即為制動電阻的阻值，C為變頻器內(nèi)部電解電容的容量。這里制動 單元動作電壓值一般為710V。

C、然后進(jìn)行制動單元的選擇在進(jìn)行制動單元的選擇時，制動單元的工作最大電流是選擇的唯一依據(jù)，其計算公式如下：

D、最后計算制動電阻的標(biāo)稱功率

由于制動電阻為短時工作制，因此根據(jù)電阻的特性和技術(shù)指標(biāo)，我們知道電阻的標(biāo)稱功率將小于通電時的消耗功率，一般可用下式求得：

制動電阻標(biāo)稱功率 = 制動電阻降額系數(shù) X 制動期間平均消耗功率 X 制動使用率%

2.6 制動特點(diǎn)

能耗制動（電阻制動）的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡單，缺點(diǎn)是運(yùn)行效率降低，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。

圖二 能耗制動和制動單元、制動電阻的連接方式

3 共用直流母線方式的回饋制動

對于頻繁啟動、制動，或是四象限運(yùn)行的電機(jī)而言，如何處理制動過程不僅影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，而且還有經(jīng)濟(jì)效益的問題。于是，回饋制動成為人們討論的焦點(diǎn)，然而在目前大部分的通用變頻器還不能通過單獨(dú)的一臺變頻器來實現(xiàn)再生能量的情況下，如何用最簡單的辦法來實現(xiàn)回饋制動呢？

為解決以上問題，這里介紹了一種共用直流母線方式的再生能量回饋系統(tǒng)，通過這種方式，它可以將制動產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行充分利用，從而起到既節(jié)約電能又處理再生電能的功效。

3.1 工作原理

我們知道通常意義上的異步電機(jī)多傳動包括整流橋、直流母線供電回路、若干個逆變器，其中電機(jī)需要的能量是以直流方式通過PWM逆變器輸出。在多傳動方式下，制動時感生能量就反饋到直流回路。通過直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動狀態(tài)的電機(jī)上，制動要求特別高時，只需要在共用母線上并上一個共用制動單元即可。

在實際的應(yīng)用中，多傳動的系統(tǒng)造價高、品牌少，也往往使用在鋼鐵、造紙等高端市場。以此參照到眾多的制動小系統(tǒng)應(yīng)用，也不失為一種效率好、節(jié)能高的制動方式。

圖三 共用直流母線的回饋制動方式

圖三接線是典型的共用直流母線的制動方式，M1是處于電動狀態(tài)，M2經(jīng)常處于發(fā)電狀態(tài)，三相交流電源380V接到處于電動狀態(tài)的電機(jī)M1上的變頻器VF1端，而VF2則通過共用直流母線方式與VF1的母線相連。在此種方式下，VF2僅做為逆變器在使用，M2處于電動時，所需能量由交流電網(wǎng)通過VF1的整流橋獲得；M2處于發(fā)電時，反饋能量通過直流母線由M2的電動狀態(tài)消耗。

3.2 應(yīng)用范圍

共用直流母線的制動方式可典型應(yīng)用于造紙機(jī)械、印刷機(jī)械、離心分離機(jī)以及系統(tǒng)驅(qū)動等。在這些應(yīng)用中，有一個共同的特點(diǎn)：即處于發(fā)電狀態(tài)的M2的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于處于電動狀態(tài)的M1的容量，而且當(dāng)M1的電動狀態(tài)停止時（即變頻器VF1待機(jī)），M2的發(fā)電狀態(tài)隨即轉(zhuǎn)為電動狀態(tài)。這樣，直流母線電壓就不會快速升高，系統(tǒng)始終處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

這里以離心機(jī)為例進(jìn)行應(yīng)用說明。過濾式螺旋卸料離心機(jī)，在全速下連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)卸料，自動完成進(jìn)料、分離、洗滌、卸料等工序。離心機(jī)的核心是過濾型轉(zhuǎn)鼓，利用主機(jī)和副機(jī)的差轉(zhuǎn)速來控制卸料速度，并實現(xiàn)無人安全操作。在處理過程中，主機(jī)始終處于電動狀態(tài)，而副機(jī)則由于轉(zhuǎn)速差的作用，基本上處于發(fā)電狀態(tài)。主機(jī)和副機(jī)功率通常為22KW和5.5KW、30KW和7.5KW、45KW和11KW等4:1匹配，符合本節(jié)闡述的工作方式。為考慮到副機(jī)供電也是由主機(jī)變頻器的整流橋提供，因此必須考慮到VF1的整流橋的額定電流（不同的變頻器廠商其整流橋規(guī)格不一樣），以此來決定VF1的選型。VF2的選型必須考慮到能夠屏蔽輸入缺相功能的變頻器。應(yīng)用本制動方式后，離心機(jī)不僅效率提高，而且節(jié)能效果好、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)簡單。

3.3 制動特點(diǎn)

采用共用直流母線的制動方式，具有以下顯著的特點(diǎn)：

a. 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(fù)配置，結(jié)構(gòu)簡單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。

b. 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；

c. 各電動機(jī)工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補(bǔ)，優(yōu)化了系統(tǒng)的動態(tài)特性；

d. 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。

4 回饋到交流電網(wǎng)的制動方式

在生產(chǎn)工況中，我們往往又會碰到另外一個問題：如何真正實現(xiàn)從電機(jī)到直流母線、再從直流母線到交流電網(wǎng)的能量回饋呢？由于通用變頻器一般采用不可控整流橋，因此必須采取其他的控制方式來實現(xiàn)。

4.1 工作原理

要實現(xiàn)直流回路與電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術(shù)：即將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實現(xiàn)制動。

圖四 回饋電網(wǎng)制動原理圖

圖四所示為回饋電網(wǎng)制動原理圖，它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實現(xiàn)功率的雙向流動，且具有很快的動態(tài)響應(yīng)速度。同時，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得我們能夠完全控制交流側(cè)和直流側(cè)之間的無功和有功的交換。

4.2 制動特點(diǎn)

a.廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合，節(jié)能運(yùn)行效率高；

b.不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，綠色環(huán)保；

c.功率因數(shù)≈1；

d. 多電機(jī)傳動系統(tǒng)中，每一單機(jī)的再生能量可以得到充分利用；

e.節(jié)省投資，易于控制網(wǎng)側(cè)諧波和無功分量；

5 結(jié)束語

通用電壓型變頻器只能運(yùn)行于一、三象限即電動狀態(tài)，因此在以下應(yīng)用場合，用戶必須考慮配套使用制動方式：電機(jī)拖動大慣量負(fù)載（如離心機(jī)、龍門刨、巷道車、行車的大小車等）并要求急劇減速或停車；電機(jī)拖動位能負(fù)載（如電梯，起重機(jī)，礦井提升機(jī)等）；電機(jī)經(jīng)常處于被拖動狀態(tài)（如離心機(jī)副機(jī)、造紙機(jī)導(dǎo)紙輥電機(jī)、化纖機(jī)械牽伸機(jī)等）。以上幾類負(fù)載的共同特點(diǎn)，要求電機(jī)不僅運(yùn)行于電動狀態(tài)（一、三象限），而且要運(yùn)行于發(fā)電制動狀態(tài)（二、四象限）。為使系統(tǒng)在發(fā)電制動狀態(tài)能正常工作，必須采取適當(dāng)?shù)闹苿臃绞?。本文試圖從工程的角度論述了能耗制動、回饋到共用直流母線方式的制動、回饋到交流電網(wǎng)的制動共3種典型制動方式的工作原理，以及應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。