變頻器能耗制動(dòng)應(yīng)用分析

1. 引言

近年來，隨著變頻器本身功能的不斷完善，交流調(diào)速技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。如何在不同應(yīng)用條件下充分開發(fā)變頻器自身功能、有效的降低設(shè)備的改造成本已成為一個(gè)重要問題。 與通常的控制方式相比，利用變頻器直流制動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)交流拖動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確停車的設(shè)計(jì)方案省去了價(jià)值昂貴的變頻器專用制動(dòng)單元／制動(dòng)電阻，有效降低了設(shè)備改造成本，工作穩(wěn)定可靠、控制精度高。

2. VVVF能耗制動(dòng)的理論分析

通用變頻器提供的制動(dòng)方式主要有：能耗制動(dòng)、再生制動(dòng)、整流回饋等。在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的工況條件下，變頻器廠家所建議采用的一般方式是外接制動(dòng)電阻和制動(dòng)單元的再生制動(dòng)方式，某些情況下可以配合采用直流制動(dòng)。這一設(shè)計(jì)思路基本為大多數(shù)目?jī)?nèi)用戶所接受，并在實(shí)際使用中獲得了較好的效果。但該方案需另外購(gòu)買變頻器廠家提供的專用制動(dòng)單元／制動(dòng)電阻，無形中增大了改造成本。

所謂“直流制動(dòng)”，一般指當(dāng)變頻器的輸出頻率接近為零，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到一定數(shù)值時(shí)，變頻器改向異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中通入直流，形成靜止磁場(chǎng)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于能耗制動(dòng)狀態(tài)，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，使電動(dòng)機(jī)迅速停止。在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過程中，由于變頻器輸出頻率逐漸降低，則定子繞組內(nèi)的同步磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)過程，此時(shí)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能熱損耗的形式消耗于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中，為防止電動(dòng)機(jī)減速過程中所形成的再生發(fā)電制動(dòng)以及直流制動(dòng)過程中的能量回饋，造成變頻器和電機(jī)的損壞，需串入專用制動(dòng)單元／制動(dòng)電阻。

如圖1所示為一般交流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性曲線。設(shè)A點(diǎn)為正常工作點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速為：

式中， 為電機(jī)同步轉(zhuǎn)速， 為電源頻率， 為電動(dòng)機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

圖1．異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線

在通常電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)先減速，電動(dòng)機(jī)同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，工作點(diǎn)在同一轉(zhuǎn)速下由曲線①的A點(diǎn)跳至曲線②的B點(diǎn)，即從第一象限過渡到第二象限稱之為同一轉(zhuǎn)速下特性的跳轉(zhuǎn)，則電機(jī)得到反方向的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T 進(jìn)入發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)沿圖1中曲線②迅速降速，當(dāng)?shù)陀谀骋晦D(zhuǎn)速后，向定子繞組輸入直流，形成固定磁場(chǎng)，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在這一過程中，電機(jī)將經(jīng)過再生發(fā)電制動(dòng)和能耗制動(dòng)而最終停止。

從理論上分析，如果能夠控制電動(dòng)機(jī)同步磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速緩慢下降，使電動(dòng)機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下特性跳轉(zhuǎn)時(shí)，特性曲線維持在第一象限，如圖 1中虛線組③所示緩慢降速，不跳轉(zhuǎn)至第二象限則拖動(dòng)系統(tǒng)在降速過程中可以有效的避免發(fā)生再生制動(dòng)過程。如圖1所示，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速在小于臨界轉(zhuǎn)速nh的情況下接入直流進(jìn)行制動(dòng)，并相應(yīng)控制接入直流的大小和時(shí)間，理論上分析電機(jī)只經(jīng)歷有限的能耗制動(dòng)階段，不會(huì)過熱。而變頻器良好的內(nèi)、外特性可以保證上述各項(xiàng)條件的滿足。

但是，采用該方法有一些必要的前提條件，首先，系統(tǒng)不能頻繁進(jìn)行啟／停，否則會(huì)造成變頻器直流電路故障。其次，提升機(jī)、電梯等下放重物的工況不適宜采用。再次，系統(tǒng)降速時(shí)間不能過短，即降速不能過快，否則工作點(diǎn)將進(jìn)入第二象限發(fā)生再生制動(dòng)過程，引起電機(jī)過熱。

3. 結(jié)束語

理論上的分析可以證明，該設(shè)計(jì)思路是完全合理的。實(shí)踐中，變頻器采用直流制動(dòng)并配合適當(dāng)?shù)闹绷髦苿?dòng)時(shí)間，起始頻率和制動(dòng)準(zhǔn)位所產(chǎn)生的電機(jī)剎車效果也比較明顯。