變頻器能耗制動應用分析

1. 引言

近年來，隨著變頻器本身功能的不斷完善，交流調速技術有了長足的進步。如何在不同應用條件下充分開發變頻器自身功能、有效的降低設備的改造成本已成為一個重要問題。 與通常的控制方式相比，利用變頻器直流制動功能實現交流拖動系統準確停車的設計方案省去了價值昂貴的變頻器專用制動單元／制動電阻，有效降低了設備改造成本，工作穩定可靠、控制精度高。

2. VVVF能耗制動的理論分析

通用變頻器提供的制動方式主要有：能耗制動、再生制動、整流回饋等。在轉動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電阻和制動單元的再生制動方式，某些情況下可以配合采用直流制動。這一設計思路基本為大多數目內用戶所接受，并在實際使用中獲得了較好的效果。但該方案需另外購買變頻器廠家提供的專用制動單元／制動電阻，無形中增大了改造成本。

所謂“直流制動”，一般指當變頻器的輸出頻率接近為零，電機的轉速降低到一定數值時，變頻器改向異步電動機定子繞組中通入直流，形成靜止磁場，此時電動機處于能耗制動狀態，轉動著的轉子切割該靜止磁場而產生制動轉矩，使電動機迅速停止。在電動機制動過程中，由于變頻器輸出頻率逐漸降低，則定子繞組內的同步磁場轉速低于轉子轉速，電動機處于再生制動過程，此時旋轉系統存儲的動能轉換成電能熱損耗的形式消耗于異步電動機的轉子回路中，為防止電動機減速過程中所形成的再生發電制動以及直流制動過程中的能量回饋，造成變頻器和電機的損壞，需串入專用制動單元／制動電阻。

如圖1所示為一般交流電動機制動時的機械特性曲線。設A點為正常工作點。電動機同步旋轉磁場轉速為：

式中， 為電機同步轉速， 為電源頻率， 為電動機磁極對數。

圖1．異步電動機機械特性曲線

在通常電動機的制動過程中，電動機先減速，電動機同步旋轉磁場轉速低于轉子轉速，工作點在同一轉速下由曲線①的A點跳至曲線②的B點，即從第一象限過渡到第二象限稱之為同一轉速下特性的跳轉，則電機得到反方向的制動轉矩T 進入發電制動狀態，拖動系統沿圖1中曲線②迅速降速，當低于某一轉速后，向定子繞組輸入直流，形成固定磁場，產生制動轉矩。在這一過程中，電機將經過再生發電制動和能耗制動而最終停止。

從理論上分析，如果能夠控制電動機同步磁場的轉速緩慢下降，使電動機在同一轉速下特性跳轉時，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，不跳轉至第二象限則拖動系統在降速過程中可以有效的避免發生再生制動過程。如圖1所示，當電機轉速在小于臨界轉速nh的情況下接入直流進行制動，并相應控制接入直流的大小和時間，理論上分析電機只經歷有限的能耗制動階段，不會過熱。而變頻器良好的內、外特性可以保證上述各項條件的滿足。

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

3. 結束語

理論上的分析可以證明，該設計思路是完全合理的。實踐中，變頻器采用直流制動并配合適當的直流制動時間，起始頻率和制動準位所產生的電機剎車效果也比較明顯。