变频调速的电气制动方式及应用.doc

变频调速的电气制动方式及应用摘 要：随着变频器在各种生产机械的应用越来越多，根据实际情况选择经济有效的制动方法与制动功能是设计交流变频调速系统十分重要的环节，也是设备安全运行的重要保证。本文详细分析了变频调速的电气制动原理及制动电阻的选择计算，并对电气制动方式的不同种类及应用进行了详尽的介绍。关键词：变频调速；电气制动；应用1 引言随着电力电子技术和自动化技术的不断进步和发展，各类低压变频器的性能也越来越先进，应用范围越来越广泛。无论是在调速节能运行、提高生产效率、适应生产工艺要求、提高产品质量方面，还是在设备设计合理化和简单化、减少维护成本、改善和适应环境等方面都有了广泛的应用。在变频器应用中，在使运动的机构减速或者停止、势能负载的下落拖动、多级传动的同步控制及应对负载的突变或在设备出现事故需要紧急停车时，都需要应用到变频器的制动方式。根据实际情况选择经济有效的制动方法与制动功能不但是设计交流变频调速系统十分重要的环节。也是设备安全运行的重要保证。要对变频调速的制动方式进行合理的设置应用，就必须对变频调速制动控制的原理及应用范围足够的了解。2 变频调速的电气制动原理及分类在通用变频调速系统中，当电动机减速或者拖动位能负载下降时，异步电动机将处于再生发电状态，传动系统中所储存的机械能经异步电动机转化电能。这种工作状态下，电动机处于再生制动状态，这种制动方式被称为再生制动。在电动机处于再生发电制动状态时，逆变器的六个回馈二极管将产生的电能回馈到直流侧，此时的逆变器处于整流状态。如果在标准型的变频器（网侧变流器为不控的二极管整流桥）中不采取另外的措施，这部分能量将导致中间回路的储电电容器的电压上升。如果电动机的制动并不太快，电容器电压升高的值并不明显，一但电动机恢复到电动状态，这部分能量又会被负载重新利用。但在频繁制动或负载为提升较重重物负载下降时，电容器的电压升高就会过快过大，变频器内的保护装置就会动作，对变频器进行过压保护。制动问题的实质在于机械能转换为电能，电能储存在变频器的中间环节电解电容中，制动方案就是如何保证中间环节电解电容的电压不超过变频器允许的范围。因此，解决制动问题的方法有二: 一是改变系统控制策略，合理设置变频器参数，避免电机出现机械能转换为电能，从源头上消除能量的持续累积;二是将不断积累的能量通过系统内部交换或者一定的渠道泻放掉，即采用共用直流母线、能耗制动或者回馈制动等策略。还有一种制动方式叫能耗制动，即再异步电动机定子通入直流电流，来达到机构准确停车或起动前制止电动机由外界因素引起的不规则旋转。还可用于消除驱动系统在转速接近于零时的“爬行”现象。3 电气制动方式的应用再生制动再生制动主要发生在设备的稳速运行和减速过程中。在变频器应用中，对再生制动方式的选择应用主要目的是解决异步电动机处于再生发电运行状态时产生的能量问题。为了处理电动机的再生制动电能，一般大致可归类为两种处理方式： 耗散到直流回路中与电容器并联的“制动电阻”中。这种方式又叫动力制动（有的文章又叫能耗制动）。一般情况下，若系统制动转矩不大于电动机额定转矩的20%时，则不需要另外的制动电阻，仅电动机内部的有功损耗的作用就可以使中间直流回路电压限制在电压保护的水平之下。在小功率的通用变频器，制动电阻内置于变频器内或直接外接于变频器对应端子。在制动功率较大的情况下，多数变频控制系统采用制动单元加制动电阻（或采用多个制动单元并联）的接线方式。制动单元就是在直流母线回路中加接一检测直流母线电压的IGBT管，一旦直流母线回路电压超过一定的界限，该晶体管导通，并将过剩的电能通过与之相连接的制动电阻器转化为热能耗。通过制动电阻耗散这部分能量后，使电动机的制动能力大幅提高，同时缩短了机械设备减速时间，提高了生产效率。动力制动控制方式简单，成本低，但节能效果不如回馈制动。对于制动电阻的选择，包括制动电阻的阻值及容量可以按照下列式计算：式中UC直流回路电压（V）； TB制动转矩（Nm）； TM电动机额定转矩（Nm）； n1开始减速时速度（r/min）；本式中0.2 TM指电动机内部的有功损耗可以折合成制动转矩的部分。由于受到制动晶体管最大允许电流IC的限制，制动电阻的最小允许值Rmin（）为 式中UC为直流回路电压(V)。因此，选用的直流制动电阻RB应按照RminRBRBO的关系来决定。制动电阻平均消耗功率Pro的计算公式为：（KW）式中n1为减速开始速度(r/min)；n2为减速结束速度(r/min)。制动电阻额定功率Pr的计算：（KW）式中m为电阻器的允许功率增加系数，其大小与制动电阻使用率有关。使用率越高，m值越小。二者的关系图可查阅相关资料。根据如上计算的RBO和Pr，可在市场上选用合乎要求的标准电阻器。电阻值选择越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大。当在快速制动出现过电压时,说明电阻值过大来不及放电，应减少电阻值。在电阻器安装时应考虑电阻器的散热问题。公共直流母线系统也是能耗制动的一种方式。应用于两台或者两台以上变频器运行的多电机传动系统中。在该系统中，往往存在一部分变频器在电动运行和另外一部分在发电运行的情况。如果能够全部或者部分有选择的将电动与发电运行变频器的直流母线连接起来，处于制动状态的电机感生能量就反馈到直流回路。通过直流回路，这部分反馈能量就可以消耗在其他处在电动状态的电机上，可以保证发电制动的能量得到及时的利用，防止母线电压的上升，制动要求特别高时，只需要在共用母线上并上一个共用制动单元即可。这样可以做到既节能、又环保，大大减小了制动组件或者回馈组件的功率，降低了整个系统的成本。在此方案中，母线并联必须串入快速熔断器来防止个别单元损坏后造成故障的进一步扩大。这里需要强调一点的是，快速熔断器的容量必须以对应变频器的容量作为选择依据。采用共用直流母线的制动方式，具有以下显著的特点：a. 共用直流母线和共用制动单元，可以大大减少整流器和制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。b. 共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大；c. 各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性；d. 提高系统功率因数，降低电网谐波电流，提高系统用电效率。 要实现直流回路与电源间的双向能量传递，一种最有效的办法就是采用有源逆变技术：即将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。通过网侧可逆变流器（或其他形式可逆变流器）使之回馈到电网实现制动的这种方式又叫回馈制动。回馈制动的原理是：当给定频率下降时，如果电机的同步转速低于转子转速的情况，这时电机处于再生制动的状态。如果此时有回馈制动单元，那么它可以将电机再生的电能反馈到电网中，从而使整个调速系统处于回馈制动状态，不但节省了能源，还增大了制动转矩。这对于中大功率电机、开卷机和起重机械下放重物的工作状态来说，尤为重要。 整流回馈单元既能为变频器提供公共直流电源，又能使电机制动的能量回馈电网，因此它适用于回馈能量较多的系统，同时也可以由一台整流回馈单元构成公共直流母线下挂多台变频器的形式。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时间制动，但控制复杂，且成本比较高，对电网要求高，所以采用的不多。 需要注意的是，回馈制动单元也称为有源逆变单元，实现有源逆变的两个基本条件是：主线路应有一个具有较高质量的不低于90%额定值的交流电源；主线路的设计功率必须足够大（相当于所连接变频器总功率的100倍）。直流制动（又称DC制动）直流制动一般应用在设备静止或减速后使设备静止的过程中。直流制动是指变频器向异步电动机的定子通直流电，异步电动机处于直流制动状态的情况。这种情况下变频器的输出频率为零，异步电动机的定子形成一个固定的磁场，旋转的电动机转子切割这个静止的磁场而产生制动转矩。机械动能转换成电能消耗于异步电动机的转子回路中。通用变频器对直流能耗制动的控制，主要通过设定DC直流制动起始频率fBD，制动电流IDB和制动时间tDB来实现。通常情况下，起始制动频率不易设定太高，太高时，异步电动机的转子电流的频率和幅度都相当大，转子铁损也就会很大，导致电动机发热严重。特别是对于要求频繁制动停车的生产机械，更不易将fDB设得太高，不然电动机将过热严重。对于IDB的设定，实际上是对异步电动机定子电流的设定。制动电流IDB不同，则制动状态下的转矩特性亦不同。电动机fBD所对应图3 利用直流制动实现准确停车图4 运行前的直流制动停止转速到零所用的时间由旋转系统的GD2生产机械的静阻力矩和变频器的IDB等共同决定。如果这个时间大于变频器内的最大允许设定tDB，则电动机可能进入自由停车的滑行状态，在设定时应当注意这一点。图3、图4是直流制动应用的两种情况的时序图。直流制动时序图因变频器内部参数设置的不同会有所不同。其中IDB为制动电流；tDB为制动时间； fBD在图3中指制动起始频率；在图4中指起动频率。4 结束语以上谈到的制动都是电动机由变频器系统控制的制动，均属于电气制动方式。如果变频器参数调整得当，电动机经历再生制动减速和直流制动最终停止，生产机械将准确地停止在预定位置上。当生产机械静止并需要保持静止的制动时，则应采用机械制动。作为静止保持或者万一变频器等出现故障的一种补救措施，机械制动器是必不可少的。例如吊车提升机构，重物在空中静止的工况常采用机械抱闸实现静止保持。在变频器控制系统中，一般是电气制动先于机械抱闸制动，这样机械抱闸几乎仅在静止中使用，则大大降低了机械抱闸带来的冲击和闸衬（闸皮）磨损。通过对电气制动的合理设置应用，减少了机械维修量和维修费用，提高了机械使用寿命和设备安全性能。参考文献1通用变频器及其应用（第二版）/韩安荣主编 北京：机械工业出版社 2000 2VACON CX/CXL/CXS变频器用户手册注：文中附图为CAD图