變頻器的制動(dòng)方式及電路原理圖

通常所說(shuō)的制動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中因故障保護(hù)或人為主動(dòng)停機(jī)時(shí)采取的技術(shù)措施，而這里討論的是變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)的各種技術(shù)方案。

一、變頻器的再生制動(dòng)

電壓型的交-直-交通用變頻器，對(duì)三相交流電源進(jìn)行不可控橋式整流，再經(jīng)電解電容濾波，最后由無(wú)源逆變環(huán)節(jié)輸出頻率可調(diào)的交流電供給電動(dòng)機(jī)。這種通用型變頻器用于礦用提升機(jī)、軋鋼機(jī)、大型龍門刨床、卷繞機(jī)及機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)等系統(tǒng)時(shí)，由于要求電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行，所以當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能處于再生發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)變頻器輸出頻率降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的作用，這時(shí)同步轉(zhuǎn)速可能降低到小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，這時(shí)電動(dòng)機(jī)即從電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。由圖1可見，電動(dòng)機(jī)M再生發(fā)電的電能經(jīng)并聯(lián)在V1～V6上的續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路，使電容器C1和C2兩端電壓升高，形成“泵升電壓”。過(guò)高的泵升電壓有可能損壞開關(guān)器件、電解電容，甚至破壞電動(dòng)機(jī)的絕緣。為使系統(tǒng)在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)能正常工作，必須采取適當(dāng)?shù)闹苿?dòng)方式。

1、能量消耗型這種制動(dòng)方法是在變頻器直流回路中并聯(lián)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，通過(guò)檢測(cè)直流母線上的電壓來(lái)控制制動(dòng)單元功率管的導(dǎo)通與否，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)電阻的接入和斷開，如圖2所示，虛線框內(nèi)是制動(dòng)單元，DR是制動(dòng)電阻。當(dāng)直流母線上的電壓，即電容器兩端的電壓達(dá)到或超過(guò)門檻電壓（例如700V）時(shí)，功率管導(dǎo)通，制動(dòng)電阻DR接入電路，再生能量在制動(dòng)電阻上以熱能的形式被消耗掉，從而防止直流電壓的上升。由于再生能量未能得到利用，因此屬于能量消耗型。當(dāng)直流母線上的電壓低于門檻電壓時(shí)，制動(dòng)過(guò)程結(jié)束。

圖2中雖然兩只電容器C1和C2兩端各自并聯(lián)有均壓電阻，但這些電阻的阻值較大，約為幾十千歐至幾百千歐，與制動(dòng)電阻幾歐至幾十歐的阻值相比不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上。均壓電阻起不到泄放再生電能的作用。

2、并聯(lián)直流母線吸收型適用于多臺(tái)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)配置一臺(tái)變頻器，所有變頻器的逆變單元都并聯(lián)在一對(duì)共用直流母線上。系統(tǒng)中往往有一臺(tái)或數(shù)臺(tái)電動(dòng)機(jī)工作于制動(dòng)狀態(tài)，處于制動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生再生能量，這些能量通過(guò)并聯(lián)于直流母線上處于電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)所吸收。在不能完全吸收的情況下，則通過(guò)共用的制動(dòng)單元控制，使未被完全吸收的再生能量消耗在制動(dòng)電阻上。這種方式有部分再生能量被吸收利用，具有一定的節(jié)能效益。

3、能量回饋型能量回饋型變頻調(diào)速系統(tǒng)要求變頻器網(wǎng)側(cè)變流器是可逆的。當(dāng)有再生能量產(chǎn)生時(shí)，可逆變流器將再生能量回饋給電網(wǎng)，使再生能量得以完全利用。但這種方法對(duì)電源的穩(wěn)定性要求較高，變頻器自身的電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，價(jià)格也相應(yīng)高一些。

二、變頻器電容反饋制動(dòng)

上面介紹了通用變頻器傳動(dòng)系統(tǒng)中對(duì)再生能量的常用的處理方法，即能耗制動(dòng)法和能量回饋法等。前者利用設(shè)置在變頻器直流回路中的制動(dòng)單元控制制動(dòng)電阻吸收再生電能，即所謂能耗制動(dòng)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，缺點(diǎn)是運(yùn)行效率低，產(chǎn)生的熱量大，使變頻器的運(yùn)行環(huán)境劣化。后者可將再生電能回饋至電網(wǎng)，且回饋電能的電壓、頻率、相位與電網(wǎng)相同。優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行效率高，且能四象限運(yùn)行；缺點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定性要求較高，即只能應(yīng)用于不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)，另外再生能量回饋電網(wǎng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)有諧波污染，同時(shí)，回饋制動(dòng)的控制技術(shù)復(fù)雜，成本較高。

這里介紹的電容反饋制動(dòng)是在電阻制動(dòng)的基礎(chǔ)上使一部分再生能量得到利用的一種控制方式。有較高的能源利用率。電容反饋制動(dòng)的充電反饋回路是采用可逆晶閘管斬波器實(shí)現(xiàn)的，其主電路如圖3所示。整流部分是由普通二極管D1～D6構(gòu)成的不可控整流橋電路；電解電容C1、C2是濾波元件；V11是由半導(dǎo)體元件組成的延時(shí)電子開關(guān)，變頻器通電瞬間斷開，待電容器C1、C2充電至一定幅度時(shí)導(dǎo)通，用于限制變頻器通電瞬間過(guò)大的充電涌流；由IGBT功率模塊V1、V2、充電反饋電抗器L及法拉級(jí)大容量電解電容器C構(gòu)成充電、反饋回路；逆變部分由IGBT功率模塊V5～V10組成。

控制回路對(duì)輸入交流電壓和直流回路電壓實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，并決定是否向V1發(fā)出充電信號(hào)。當(dāng)變頻調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，輸入交流電壓以及所對(duì)應(yīng)的直流電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)（例如AC380V和DC537V。DC537是AC380V輸入電壓經(jīng)三相橋整流后的電壓峰值，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，通常只能達(dá)到平均值，低于DC537V），控制回路使V3關(guān)斷，V1導(dǎo)通，發(fā)電狀態(tài)的再生能量對(duì)電解電容器C進(jìn)行充電，此時(shí)電抗器L與電解電容器C分壓，從而確保電解電容器C工作在安全電壓范圍內(nèi)。

當(dāng)電容器C上電壓達(dá)到設(shè)定值（例如DC370V），而系統(tǒng)仍處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，控制電路使V4導(dǎo)通，啟動(dòng)制動(dòng)單元，通過(guò)制動(dòng)電阻DR實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，消耗多余的能量。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，控制電路通過(guò)對(duì)電容器C上的電壓以及直流回路電壓的檢測(cè)，控制功率模塊V3的開關(guān)頻率及占空比，使電抗器L上形成一個(gè)瞬時(shí)左正、右負(fù)的電壓，再加上電容器C上的電壓，就能實(shí)現(xiàn)從電容器到直流回路的能量反饋過(guò)程，并控制反饋電流，確保直流回路電壓不出現(xiàn)過(guò)高值。

三、變頻器的直流制動(dòng)

所謂“直流制動(dòng)”，一般指當(dāng)變頻器的輸出頻率已經(jīng)降低到較低值，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到一定數(shù)值時(shí)，變頻器輸出直流電壓至異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組。這時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組因直流電流而形成靜止磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)子切割該靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)使旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，以熱損耗的形式消耗于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中，從而使電動(dòng)機(jī)迅速停止。采用直流制動(dòng)的變頻調(diào)速系統(tǒng)，仍應(yīng)在變頻器直流環(huán)節(jié)接入制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的直流制動(dòng)，應(yīng)對(duì)變頻器的相關(guān)功能參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

變頻器在實(shí)施直流制動(dòng)時(shí)，封鎖6個(gè)逆變管中的其中4個(gè)，如圖4中畫有“×”記號(hào)的V3、V5、V4、和V2；導(dǎo)通V1和V6，這樣，從直流電源正極開始，經(jīng)導(dǎo)通的逆變管V1→電動(dòng)機(jī)的端子U→電動(dòng)機(jī)內(nèi)部繞組→電動(dòng)機(jī)的端子V→導(dǎo)通的逆變管V6→直流電源負(fù)極，形成一個(gè)直流通路，對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)施直流制動(dòng)。

來(lái)源：電工學(xué)習(xí)網(wǎng)