摘要：本文在簡(jiǎn)介變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，闡述了在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮制動(dòng)方式的應(yīng)用場(chǎng)合，重點(diǎn)論述了變頻調(diào)速系統(tǒng)采共用直流母線方案的接線及工程應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行制動(dòng)方案

1.變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

不少的生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)行過(guò)程中需要快速地減速或停車，而有些設(shè)備在生產(chǎn)中要求保持若干臺(tái)設(shè)備前后一定的轉(zhuǎn)速差或者拉伸率，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生發(fā)電制動(dòng)的問(wèn)題，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在第二或第四象限。而對(duì)于變頻器，如果輸出頻率降低，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)過(guò)程，由制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量將返回到變頻器直流單元，這些功率可以用電阻發(fā)熱消耗或反饋回電網(wǎng)。為了改善變頻系統(tǒng)制動(dòng)能力，不能依靠增加變頻器的容量來(lái)解決再生能量問(wèn)題。需要選用制動(dòng)電阻、制動(dòng)單元或功率再生變換器等選件來(lái)改善變頻器的制動(dòng)能力。在變頻調(diào)速系統(tǒng)減速期間，產(chǎn)生的再生能量如果不通過(guò)熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側(cè)的方法叫做“再生能量回饋法”。在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)“再生能量回饋”需要“能量回饋單元”選件。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于大多通用變頻器都采用電壓源的控制方式，其中間直流環(huán)節(jié)有大電容器鉗制著直流電壓，使之不能迅速反向，另外變頻器整流回路通常采用不可控整流橋，不能使電流反向，因此要實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)和四象限運(yùn)行就比較困難。

圖1所示為變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運(yùn)行狀態(tài)，即電動(dòng)和發(fā)電狀態(tài)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)是通過(guò)逐漸減小頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在頻率減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速w1小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180度，電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Te，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)再生的電能經(jīng)逆變單元續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路。由于直流電路的電能無(wú)法通過(guò)整流橋回饋到電網(wǎng)，僅靠變頻器本身的電容器吸收，雖然其他部分能消耗電能，但電容器仍有短時(shí)間的電荷堆積，形成“泵升電壓”，使直流電壓Ud升高。過(guò)高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，對(duì)于負(fù)載處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)中必須采取必需的措施處理這部分再生能量。通用電壓型變頻器只能運(yùn)行于一、三象限，即電動(dòng)狀態(tài)，因此在以下應(yīng)用場(chǎng)合，必須考慮配套使用制動(dòng)方式：

①電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)大慣量負(fù)載（如離心機(jī)、龍門刨、巷道車、行車的大小車等）并要求急劇減速或停車。

②電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能負(fù)載（如電梯，起重機(jī)，礦井提升機(jī)等）。

③電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于被拖動(dòng)狀態(tài)（如離心機(jī)副機(jī)、造紙機(jī)導(dǎo)紙輥電動(dòng)機(jī)、化纖機(jī)械牽伸機(jī)等）。

以上幾類負(fù)載的共同特點(diǎn)是要求電動(dòng)機(jī)不僅運(yùn)行于電動(dòng)狀態(tài)（一、三象限），而且要運(yùn)行于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)（二、四象限）。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。

2.共用直流母線系統(tǒng)方案

在同一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)或多個(gè)傳動(dòng)單元，有時(shí)會(huì)發(fā)生電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，并將再生能量反饋到變頻器中來(lái)，這種現(xiàn)象叫“再生能量”。這種情況一般發(fā)生在電機(jī)被機(jī)械設(shè)備慣性拖動(dòng)的時(shí)候（也就是被一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)定值的速度拖動(dòng)的時(shí)候），或是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生制動(dòng)以提供足夠的張力的時(shí)候（如放卷系統(tǒng)中的傳動(dòng)電機(jī)）。

通用變頻器在設(shè)計(jì)上不具有再生能量反饋到三相電源的功能，因此所有變頻器從電機(jī)吸收的能量都會(huì)保存在電容中，最終導(dǎo)致變頻器中的直流母線電壓升高。如果變頻器配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，變頻器就可以通過(guò)短時(shí)間接通電阻，使電能以熱方式消耗掉。當(dāng)然只要充分考慮到制動(dòng)時(shí)最大的電流容量、負(fù)載周期和消耗到制動(dòng)電阻上的額定功率就可以設(shè)計(jì)或選擇合適的制動(dòng)單元，并以連續(xù)的方式消耗電能，最終能夠保持直流母線電壓的平衡。這種制動(dòng)單元的工作方式其實(shí)就是消耗能量的一種能耗制動(dòng)。

如果有多臺(tái)變頻器通過(guò)直流母線互連，一個(gè)或多個(gè)電機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電機(jī)以電動(dòng)的方式消耗吸收了。這是一種非常有效的工作方式，即使有多個(gè)部位的電機(jī)一直處于連續(xù)發(fā)電狀態(tài)，也不用考慮采取處理再生能量的工作方式。在這種方式下，如果生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備仍需要一個(gè)更快剎車或緊急停止的狀態(tài)的話，那就需要再加上一個(gè)一定容量的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻以便在需要時(shí)工作，若與能量回饋裝置組合就可以充分地將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來(lái)，以提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。

（1）變頻器共用直流母線方案接線

對(duì)于通用變頻器而言，采用共用直流母線很重要的一點(diǎn)就是在共用直流母線上電時(shí)必須充分考慮到變頻器的控制、傳動(dòng)系統(tǒng)故障、負(fù)載特性和輸入主回路保護(hù)等。圖2所示為一種應(yīng)用比較廣泛的共用直流母線方案接線。該方案包括3相進(jìn)線（保持同一相位）、直流母線、通用變頻器組、公共制動(dòng)單元（或采用能量回饋裝置）和一些附屬元件。該方案具有以下特點(diǎn)：

①使用一個(gè)完整的變頻器，而不是單純使用傳統(tǒng)意義上的整流橋加多個(gè)逆變器方案。

②不需要有分離變頻器的整流橋、充電單元、電容組和逆變器。

③每一個(gè)變頻器都可以單獨(dú)從直流母線中分離出來(lái)而不影響其他系統(tǒng)。

④通過(guò)連鎖接觸器來(lái)控制變頻器的直流環(huán)節(jié)的接入到共用直流母線上。

⑤采用快速熔斷器來(lái)保護(hù)接在公共直流母線上的變頻器的電容單元。

⑥所有接在公共直流母線上的變頻器必須使用同一個(gè)三相交流電源。

在圖2中，QF是每個(gè)變頻器的進(jìn)線保護(hù)裝置，它應(yīng)該采用帶輔助觸點(diǎn)的空氣開(kāi)關(guān)，因?yàn)橹绷鹘佑|器MC的接通必須同時(shí)滿足QF的輔助觸點(diǎn)閉合和變頻器運(yùn)行狀態(tài)正常這兩個(gè)條件，否則MC就斷開(kāi)。

LR為進(jìn)線電抗器，由于實(shí)際工作現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境往往會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的波動(dòng)并產(chǎn)生高次諧波，使用進(jìn)線電抗器就能有效地避免這些因素對(duì)變頻器的影響，也可用于增加電源阻抗并吸收附近設(shè)備投入工作時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰，從而最終保護(hù)變頻器的整流單元。

為確保變頻器上電后順利地接到公共直流母線上，或是在變頻器故障后快速地與公共直流母線斷開(kāi)以進(jìn)一步縮小變頻器故障范圍，使用在該系統(tǒng)的變頻器必須要有24VDC信號(hào)或無(wú)源觸點(diǎn)信號(hào)輸出，其輸出信號(hào)至少包括：

①READY信號(hào)：該信號(hào)輸出有效則表示變頻器無(wú)故障，母線電壓正常，可以接受啟動(dòng)命令。

②FAULT信號(hào)：該信號(hào)輸出表示變頻器故障。

FU為半導(dǎo)體快速熔斷器，額定電壓通?？蛇x700VDC，如Bussman的FWP系列Gouldshawmut的A70P系列，額定電流必須考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)在電動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的最大能量，一般情況下可以額定負(fù)載的125%電流即可。

MC為2P直流接觸器，如ABB的EHDB系列，額定電壓650VDC，其額定電流同樣須根據(jù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)的最大電流來(lái)選取，一般情況下可以選額定負(fù)載的120%電流。

（2）共用直流母線的應(yīng)用

通用變頻器的共用直流母線方案目前已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域的很多機(jī)械設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用，不僅整機(jī)（設(shè)備加電氣）故障率低，而且能最大程度地節(jié)能，更具有環(huán)保的意義。

①雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，與主動(dòng)件相連的電機(jī)處于電動(dòng)工作狀態(tài)為主電機(jī)，與從動(dòng)件相連的電機(jī)由于轉(zhuǎn)鼓差速的作用始終處于發(fā)電狀態(tài)的為副電機(jī)。主、副電機(jī)各用一臺(tái)普通變頻器驅(qū)動(dòng)，采用公共直流母線方案，較好的解決副電機(jī)持續(xù)發(fā)電的再生能量問(wèn)題，并達(dá)到節(jié)能的效果。

②多電機(jī)驅(qū)動(dòng)。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備通常包括幾個(gè)主要的傳動(dòng)電機(jī)，例如紡織機(jī)械通常有一道、二道、三道牽伸和卷曲，它們需要同步運(yùn)行。在同步時(shí)，一道牽伸M1和二道牽伸M2為保持一定牽伸比必須處于發(fā)電狀態(tài)，而三道牽伸M3和卷曲M4則處于電動(dòng)狀態(tài)。M1和M2發(fā)電是由于3道牽伸的電動(dòng)所引起的，該2臺(tái)電機(jī)所產(chǎn)生的回饋能量足以消耗到處于電動(dòng)狀態(tài)下的M3和M4中，而不會(huì)引起直流回路母線電壓的升高，這樣通過(guò)圖4接線就可以解決再生能量的制動(dòng)問(wèn)題，從而使系統(tǒng)始終處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

在圖4中，能量傳遞的公式為：P0=P3+P4-P1-P2。很顯然，公共直流母線方案將大大降低能量損耗。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備采用共用直流母線的控制方式，具有以下顯著的特點(diǎn)：

①共用直流母線可以大大減少制動(dòng)單元的重復(fù)配置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。

②共用直流母線的中間直流電壓恒定，由于各變頻器的直流環(huán)節(jié)并聯(lián)電容器的儲(chǔ)能容量較大。

③各電機(jī)工作在不同狀態(tài)下，能量回饋互補(bǔ)，優(yōu)化了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并使系統(tǒng)具有較高的節(jié)能效果。

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