變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)電氣制動(dòng)方法與原理

1、變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)電氣制動(dòng)方法與原理The Electric Brake Method and Principle of AC Motor Based摘 要 ：本文簡要介紹了交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理，著重闡述了采用變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)電氣制動(dòng)的幾種方法與制動(dòng)原理，指出了各種制動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適應(yīng)場合。英文摘 要 ：he running principle of AC motor is introduced briefly in this paper, especially some electric brake methods and principle of AC motor bas

2、ed on inverter control are expounded, also the merits and defects of those brake methods and their acclimation are pointed out.關(guān)鍵詞： 變頻器 異步電機(jī)運(yùn)行原理 制動(dòng)方法 1 引言 在通用變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速或者拖動(dòng)位能負(fù)載下放時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度將高于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度。為了使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度與給定速度相符，就必須采取制動(dòng)措施。異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法有再生發(fā)電制動(dòng)、直流制動(dòng)和機(jī)械抱閘制動(dòng)。而機(jī)械抱閘制動(dòng)直觀，這里不做介紹

3、，只介紹前面兩種電氣制動(dòng)方法。為了便于介紹電氣制動(dòng)的原理與方法，首先回顧一下，異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理。2 異步電機(jī)運(yùn)行原理 眾所周知，異步電動(dòng)機(jī)的定子上裝有一套在空間上對(duì)稱分布的三相繞組AX、BY、CZ如圖1所示。當(dāng)給這三相繞組通以交流電時(shí), 則在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生磁場。此磁場在任何瞬間都是三相繞組各磁場的總和。通過右手定則對(duì)圖1中不同瞬間電流與磁場方向的關(guān)系可知，合成磁場F的方向與電流為最大值那一相繞組的軸線方向一致。因此隨著電流最大值依次由A相B相C相A相等順序變化，合成磁場的方向也依次指向A相B相C相A相等各相繞組的軸線方向。這就是說，這個(gè)合成磁場是一個(gè)“旋轉(zhuǎn)磁場”。其旋轉(zhuǎn)速度n0(同步轉(zhuǎn)速

4、)與交流電源頻率成正比，而與磁場極對(duì)數(shù)成反比。圖1 旋轉(zhuǎn)磁場形成 由于旋轉(zhuǎn)磁場的作用，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，這個(gè)感應(yīng)電勢使閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生電流，通電導(dǎo)體在磁場中又受到一個(gè)力的作用，這個(gè)作用在導(dǎo)體上的力，將使異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，其某一瞬間情況如圖2所示。根據(jù)右手定則可知轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體電流的方向。再根據(jù)左手定則可知轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受力方向。此作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩XTD將克服阻力矩Mfz，使電機(jī)加速到電動(dòng)力矩等于阻力矩為止。圖2 旋轉(zhuǎn)力矩形成3 電氣制動(dòng)的方法與原理 采用通用變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)電氣制動(dòng)有直流制動(dòng)與再生發(fā)電制動(dòng)(能耗制動(dòng))兩種?，F(xiàn)就這兩種制動(dòng)方法與制動(dòng)原理分述如下。3.1 直流制動(dòng)

5、 直流制動(dòng)是使變頻器向異步電動(dòng)機(jī)的定子任意兩相通以直流電，異步電動(dòng)機(jī)便處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。這種情況下變頻器的輸出頻率為零，異步電動(dòng)機(jī)的定子磁場不再旋轉(zhuǎn)。直流制動(dòng)主要用于準(zhǔn)確停車與防止起動(dòng)前電動(dòng)機(jī)由于外因引起的不規(guī)則自由旋轉(zhuǎn)(如風(fēng)機(jī)類負(fù)載)。當(dāng)直流制動(dòng)用于準(zhǔn)確停車時(shí)，一般都應(yīng)先進(jìn)行再生發(fā)電制動(dòng)，在電動(dòng)機(jī)減速到較低時(shí)，進(jìn)行直流制動(dòng)。這是因?yàn)楦咚贂r(shí)進(jìn)行直流制動(dòng)，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流的頻率與幅值都很高，轉(zhuǎn)子鐵損很大，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，但得到的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻并不太大，另一方面準(zhǔn)確停車也較難保證，而采用先再生發(fā)電制動(dòng),等降頻到fDB再進(jìn)行直流制動(dòng)，只要合理調(diào)整fDB、制動(dòng)時(shí)間tDB、制動(dòng)直流電壓UDB就可確保準(zhǔn)

6、確停車。轉(zhuǎn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)子切割這個(gè)靜止磁場而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖3所示。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中。圖3的(a)與(b)還說明這種制動(dòng)與通入直流電的極性無關(guān)。圖3 直流制動(dòng)原理3.2 再生發(fā)電制動(dòng) 當(dāng)給定頻率降低時(shí)，定子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度降低或位能負(fù)載下放倒拉。此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度將超過旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度，因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢反向，電流反向，電動(dòng)轉(zhuǎn)矩反向，如圖4，電動(dòng)轉(zhuǎn)矩(與阻力矩同向)起制動(dòng)作用，使電動(dòng)機(jī)減速。此時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)異步發(fā)電機(jī)，將旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能或重物下放的位能轉(zhuǎn)換成電能。這部分電能如果不進(jìn)行處理，將引起直流側(cè)過壓，而引起故障跳閘或損壞變頻

7、器，因此必須處理好這部分電能。其處理方法一般有如下三種:圖4 發(fā)電狀態(tài)(1) 動(dòng)力制動(dòng) 這種方法就是通過與直流回路濾波電容并聯(lián)的放電電阻，將這部分電能消耗掉，因此也稱再生能耗制動(dòng)，如圖5所示，圖5中虛線框內(nèi)為制動(dòng)單元(PW)，它包括內(nèi)部制動(dòng)電阻RB，制動(dòng)用的晶體管VB等，VB的通斷是通過檢測直流電壓大、小來控制。實(shí)際上電阻中的電流是間歇的，所以西門子公司資料稱“脈沖電阻”(Pulsed Resistor)。此單元實(shí)際上只起消耗電能防止直流側(cè)過電壓的作用。它并不起制動(dòng)作用，但人們習(xí)慣稱此單元為制動(dòng)單元。要提高制動(dòng)的快速性，就要快速消耗掉這部分電能，可以在圖5中H，G兩點(diǎn)間外接制動(dòng)電阻REB，RE

8、B阻值與功率應(yīng)符合產(chǎn)品樣本要求。圖5 動(dòng)力制動(dòng)(2) 再生制動(dòng) 這種方法就是通過與整流器反并聯(lián)的回饋單元，將這部分電能回饋給電網(wǎng)如圖6所示，這種情況整流單元也必須采用晶閘管整流元件，一般采用邏輯無環(huán)流工作方式?；仞亞卧c電網(wǎng)之間應(yīng)串接一臺(tái)自耦變壓器，此種制動(dòng)方法雖然可以把旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量回饋給電網(wǎng)，但對(duì)供電電網(wǎng)的要求比較高; 一是電網(wǎng)電壓波動(dòng)要小，且必須可靠; 二是電網(wǎng)短路容量要大，否則在回饋期間，電源電壓偏低或電源被切斷，有源逆變器就會(huì)迅速直通，引起換流失敗，燒壞快速熔斷器及晶閘管元件。因此，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大(如帶有電爐負(fù)載的電網(wǎng))，或采用接觸式供電(如行車、機(jī)車車輛)的場合以采用動(dòng)力制動(dòng)為好，雖然浪費(fèi)了一點(diǎn)電能，但可靠性大大提高。圖6 回饋單元(3) 直流公共母線 所謂直流公共母線是用一臺(tái)整流器給多臺(tái)逆變器供電如圖7所示，它利用工作在電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)吸收工作在發(fā)電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)的電能, 但當(dāng)發(fā)電狀態(tài)多于電動(dòng)狀態(tài)時(shí), 吸收能力不足仍將引起直流過電壓，因此還需要有前面兩種方法之一(如圖7中虛線框所示)做后備吸收才較完美。圖7 直流公共母線4 結(jié)束語 通用型變頻器在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中已得到了越來越廣泛的應(yīng)用。為了滿足生產(chǎn)機(jī)械快速制動(dòng)與準(zhǔn)確停車等方面的要求，必須對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，而機(jī)