淺談感應(yīng)電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)在變頻器中的應(yīng)用

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

感應(yīng)電動(dòng)機(jī) ，又稱“異步電動(dòng)機(jī)”，是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。由電氣工程師尼古拉·特斯拉于1887年發(fā)明。詞條介紹了感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的概念、發(fā)明者、工作原理、基本結(jié)構(gòu)、工作方式、制動(dòng)方式、異步特征、規(guī)格以及故障檢查。

通過定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1）與轉(zhuǎn)子繞組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，感應(yīng)電流逐漸減小，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速。為了描述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1之間的差別，引入轉(zhuǎn)差率（slip）。

基本結(jié)構(gòu)

單相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

單相異步電動(dòng)機(jī)就是只需單相交流電源供電的電動(dòng)機(jī) 。單相異步電動(dòng)機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機(jī)殼、端蓋等構(gòu)成。定子由機(jī)座和帶繞組的鐵心組成。鐵心由硅鋼片沖槽疊壓而成，槽內(nèi)嵌裝兩套空間互隔90°電角度的主繞組（也稱運(yùn)行繞組）和輔繞組（也稱起動(dòng)繞組成副繞組）。主繞組接交流電源，輔繞組串接離心開關(guān)S或起動(dòng)電容、運(yùn)行電容等之后，再接入電源。轉(zhuǎn)子為籠型鑄鋁轉(zhuǎn)子，它是將鐵心疊壓后用鋁鑄入鐵心的槽中，并一起鑄出端環(huán)，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路成鼠籠型。

單相異步電動(dòng)機(jī)又分為單相電阻起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)，單相電容起動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)、單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)異步電動(dòng)機(jī)和單相雙值電容異步電動(dòng)機(jī)。

三相異步電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

三相異步電動(dòng)機(jī)主要有由定子和轉(zhuǎn)子，軸承組成 。定子主要由鐵心，三相繞組，機(jī)座，端蓋組成。定子鐵心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。三相繞組由三個(gè)在空間互隔120°電角度、隊(duì)稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個(gè)線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。其作用是通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。機(jī)座通常為鑄鐵件，大型異步電動(dòng)機(jī)機(jī)座一般用鋼板焊成，微型電動(dòng)機(jī)的機(jī)座采用鑄鋁件，其作用是固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、散熱等作用。封閉式電機(jī)的機(jī)座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護(hù)式電機(jī)的機(jī)座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動(dòng)機(jī)內(nèi)外的空氣可直接對(duì)流，以利于散熱。端蓋主要起固定轉(zhuǎn)子，支撐和防護(hù)作用。轉(zhuǎn)子主要由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)子直徑在300~400毫米以上）的轉(zhuǎn)子鐵心則借助與轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。 （1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個(gè)環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個(gè)繞組的外形像一個(gè)鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動(dòng)機(jī)采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對(duì)于100KW以上的電動(dòng)機(jī)采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。鼠籠轉(zhuǎn)子分為：阻抗型轉(zhuǎn)子、單鼠籠型轉(zhuǎn)子、雙鼠籠型轉(zhuǎn)子、深槽式轉(zhuǎn)子幾種，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等特性各有不同。 （2）繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個(gè)對(duì)稱的三相繞組，一般接成星形，三個(gè)出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個(gè)集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。

工作方式

1 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式

1.1 軟起動(dòng)

隨著微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，在相關(guān)的控制工程領(lǐng)域中先后研制成功了一批電子式軟起動(dòng)控制器，廣泛應(yīng)用在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程，降壓啟動(dòng)器隨之被替代。當(dāng)前電子式的軟起動(dòng)設(shè)施都使用的是晶閘管的調(diào)壓電路，其電路構(gòu)成如下所描述：晶閘管六只，兩兩反并聯(lián)后串聯(lián)至三相電源上，待系統(tǒng)發(fā)送起動(dòng)信號(hào)后，微機(jī)控制起動(dòng)器系統(tǒng)立即進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，令晶閘管輸送觸發(fā)信號(hào)，使晶閘管的導(dǎo)通角得到控制，根據(jù)給定的輸出，調(diào)節(jié)輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的控制。該起動(dòng)方式適合各種功率值的三相交流異步電動(dòng)機(jī)包括六根和三根連接方式的起動(dòng)控制。

1.2 直接起動(dòng)

此種起動(dòng)方式是電機(jī)起動(dòng)方式中最基礎(chǔ)最簡單的，首先借助用刀開關(guān)使電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)進(jìn)行連接，此時(shí)在額定電壓下電動(dòng)機(jī)起動(dòng)并運(yùn)行起來，該方式特點(diǎn)為：投資少，設(shè)備簡單、數(shù)量少，雖然起動(dòng)時(shí)間短，但起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩較小，電流較大，比較適合應(yīng)用在容量小的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

1.3 降壓起動(dòng)

由于直接起動(dòng)存在較大的缺點(diǎn)，降壓起動(dòng)隨之產(chǎn)生。這種起動(dòng)方式適用的起動(dòng)環(huán)境為空載和輕載這兩種情況，由于降壓起動(dòng)方式是在同時(shí)實(shí)現(xiàn)了限制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的，因此起動(dòng)工作結(jié)束后需要使工作的電路恢復(fù)到額定狀態(tài)。

在一般的異步交流電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)中，電動(dòng)機(jī)大都處于電動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)需要向電網(wǎng)吸收能量，但是由于負(fù)載的不同，在有些負(fù)載需要電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)，或者負(fù)載具有一定的位置勢(shì)能時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)就有可能處于發(fā)電狀態(tài)。如果電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)時(shí)，電機(jī)發(fā)出的電向電網(wǎng)回饋，但是這樣對(duì)電網(wǎng)有較大的影響，如果電機(jī)由變頻器拖動(dòng)時(shí)，由于變頻器有中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，其儲(chǔ)能是有限的，故電機(jī)發(fā)電狀態(tài)時(shí)對(duì)變頻器有較大的威脅。變頻器在處理電機(jī)的再生發(fā)電時(shí)，有多種制動(dòng)方法，如能耗制動(dòng)、儲(chǔ)能制動(dòng)、回饋制動(dòng)等。對(duì)能耗制動(dòng)方法，電機(jī)發(fā)出的電會(huì)白白的浪費(fèi)，同時(shí)能耗電阻會(huì)經(jīng)常損壞；儲(chǔ)能制動(dòng)方法中儲(chǔ)能也是有限的，同樣對(duì)變頻器有威脅，能量回饋是處理再生發(fā)電的好方法，又是制動(dòng)的好方法。它保證了變頻器的安全、節(jié)約了能量、同時(shí)增強(qiáng)了電機(jī)的制動(dòng)功能。本文將對(duì)能量回饋的技術(shù)問題作一些討論。

? 簡單的實(shí)施方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 1 所示，由 LC 濾波、逆變塊 A 、母線電容 C 、逆變塊 B 和逆變塊 A 的控制系統(tǒng)組成。

電機(jī)一般工作在電動(dòng)狀態(tài)下，逆變塊 A 作為整流用，在發(fā)電狀態(tài)下，作為逆變回饋用，電機(jī)發(fā)電時(shí)，通過逆變塊 B 中 IGBT 反并聯(lián)的二極管整流，整流電壓加在母線電容 C 上，如果發(fā)電功率較大時(shí)，母線電壓就會(huì)上升，直接威脅到整個(gè)系統(tǒng)的安全，這樣就需要啟動(dòng)逆變塊 A 將多余的能量經(jīng)過電感電容回饋到電網(wǎng)。電感將承受直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓的差值，同時(shí)電感將緩沖諧波的無功功率。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要完成回饋制動(dòng)，需要完成三方面的工作： 1 ）檢測電壓何時(shí)開始回饋； 2 ）保持回饋制動(dòng)時(shí)與電網(wǎng)同頻同相； 3 ）回饋制動(dòng)時(shí)限制回饋電流的大小。

2 ． 1 電壓的檢測

在電壓檢測中，主要檢測直流母線電壓和電網(wǎng)電壓，檢測電網(wǎng)電壓時(shí)，一般需要考慮電網(wǎng)的波動(dòng)，根據(jù)變頻器的中間環(huán)節(jié)所能承受的直流電壓，再利用回饋制動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)允許向上波動(dòng) +20 %，由此在直流電壓檢測時(shí)，在電壓值為（1.2*√2）倍的電網(wǎng)線電壓有效值時(shí)可以啟動(dòng)逆變塊A工作，進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)。

2 ． 2 電網(wǎng)頻率和相位檢測

在回饋制動(dòng)中，是否有效地回饋能量，關(guān)鍵是保證與電網(wǎng)同頻、同相，并且回饋時(shí)要保證電網(wǎng)輸出正電壓時(shí)，輸出負(fù)電流。其次，在回饋時(shí)要盡量選取電網(wǎng)線電壓的高電壓段，如圖 2 所示，這樣當(dāng)回饋電流一定時(shí)可以獲得較大的能量回饋功率。

圖 2

設(shè)定逆變塊 A 中的功率器件的開關(guān)狀態(tài)要求與電網(wǎng)同步，同步信號(hào)如圖 2 中（ B ）所示，下面是一種簡單的同步信號(hào)控制方式，可以簡單的得到 V1-V6 的同步方波脈沖。

圖 3 同步信號(hào)檢測

2 ． 3 回饋電流的控制

在回饋制動(dòng)中，合理的控制回饋電流大小也是至關(guān)重要，回饋電流的大小必須滿足能量回饋功率的要求，如果系統(tǒng)回饋功率小于電機(jī)在發(fā)電狀態(tài)時(shí)的輸出功率，在變頻器的直流母線上電壓就會(huì)繼續(xù)升高。 由于電網(wǎng)電壓是一定的，系統(tǒng)回饋功率的大小是由回饋電流的大小決定的。另外回饋電流的大小必須控制在所使用的 IGBT 的額定范圍內(nèi)。

回饋制動(dòng)時(shí)，回饋電流變化速度較快，就需要采用有效的控制方式，一般采用滯環(huán)電流比較法控制，見如下框圖 4 所示：

圖 4 滯環(huán)電流比較法控制

? 工程應(yīng)用

我們利用這種回饋制動(dòng)方法在新疆瑪納斯縣永安煤業(yè)有限公司安裝了一臺(tái) 380V75KW 提升負(fù)載的變頻器，從現(xiàn)場應(yīng)用看：

回饋制動(dòng)時(shí)可達(dá)到 40A 左右的電流，變頻器采用 滯環(huán)電流比較法 回饋制動(dòng)的方式，母線電壓比設(shè)定的基準(zhǔn)電壓高出多少即回饋多少，當(dāng)高于 645V 時(shí)啟動(dòng)回饋制動(dòng)，讓能量回饋到電網(wǎng)從而保證了變頻器安全工作。通過檢測母線電壓，看不到有較大的電壓波動(dòng)。回饋到電網(wǎng)波形比較好，采用適當(dāng)?shù)?LC 濾波 后，對(duì)電網(wǎng)基本造成不了污染，濾波效果較好。節(jié)能效果也明顯，與工頻比較，綜合節(jié)電率約在 30% 左右。 75KW 的提升機(jī)用變頻后可直接采用普通的鼠籠式電機(jī)拖動(dòng)，可以平滑的進(jìn)行調(diào)速，而可以不用繞線式電機(jī)，同時(shí)鼠籠式電機(jī)價(jià)格要比繞線式電機(jī)便宜 1/3 左右，因此可降低用戶的投資費(fèi)用，維護(hù)起來也比較方便。采用變頻調(diào)速后，甩掉了原工頻用的速度段切換交流接觸器及調(diào)速電阻，使工人的操作環(huán)境大為改善，調(diào)速平滑，減輕了對(duì)電網(wǎng)及換擋的沖擊，電流變化平穩(wěn)，這是原工頻狀態(tài)所無法比擬的。

? 結(jié)束語

變頻器如果所驅(qū)動(dòng)的是提升機(jī)類負(fù)載，變頻器應(yīng)具備多種制動(dòng)手段，回饋制動(dòng)是重要的一種。我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌提升機(jī)專用變頻器上成功地應(yīng)用了回饋制動(dòng)，取得了很好的效果?；仞伳芰康牟ㄐ伪仨毢茫仞佅辔槐仨殰?zhǔn)確，否則回饋會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，技術(shù)關(guān)鍵在于此．