制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選型方案

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    1 前 言   
      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(chē)，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，使電機(jī)運(yùn)行在第二或第四象限。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)有大電容鉗制著電壓，使之不能迅速反向，另外交直回路又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。

                                                            圖一 變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運(yùn)行狀態(tài)
      圖一所示為變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運(yùn)行狀態(tài)，即電動(dòng)和發(fā)電。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(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，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電機(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，電機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時(shí)，電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Te，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，電機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)再生的電能P經(jīng)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吸收，雖然其他部分能消耗電能，但電容仍有短時(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。本文闡述的就是處理再生能量的方法：能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)。

2 能耗制動(dòng)的工作方式    
      能耗制動(dòng)采用的方法是在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來(lái)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)（如圖二所示）。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過(guò)專(zhuān)門(mén)的能耗制動(dòng)電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，因此又被稱(chēng)為“電阻制動(dòng)”，它包括制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻二部分。

2.1 制動(dòng)單元   
      制動(dòng)單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓Ud超過(guò)規(guī)定的限值時(shí)（如660V或710V），接通耗能電路，使直流回路通過(guò)制動(dòng)電阻后以熱能方式釋放能量。制動(dòng)單元可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于小功率的通用變頻器，后者則是適用于大功率變頻器或是對(duì)制動(dòng)有特殊要求的工況中。從原理上講，二者并無(wú)區(qū)別，都是作為接通制動(dòng)電阻的“開(kāi)關(guān)”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 制動(dòng)電阻   
      制動(dòng)電阻是用于將電機(jī)的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量?jī)蓚�(gè)重要的參數(shù)。通常在工程上選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻兩種：前者采用表面立式波紋有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無(wú)機(jī)涂層，有效保護(hù)電阻絲不被老化，延長(zhǎng)使用壽命；后者電阻器耐氣候性、耐震動(dòng)性，優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛應(yīng)用于高要求惡劣工控環(huán)境使用，易緊密安裝、易附加散熱器，外型美觀。

2.3 制動(dòng)過(guò)程   
      能耗制動(dòng)的過(guò)程如下：
A、當(dāng)電機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時(shí)（包括被拖動(dòng)），電機(jī)即以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量反饋回直流回路，使母線(xiàn)電壓升高；
B、當(dāng)直流電壓到達(dá)制動(dòng)單元開(kāi)的狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)單元的功率管導(dǎo)通，電流流過(guò)制動(dòng)電阻；C、制動(dòng)電阻消耗電能為熱能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線(xiàn)電壓也降低；
D、母線(xiàn)電壓降至制動(dòng)單元要關(guān)斷的值，制動(dòng)單元的功率管截止，制動(dòng)電阻無(wú)電流流過(guò)；E、采樣母線(xiàn)電壓值，制動(dòng)單元重復(fù)ON/OFF過(guò)程，平衡母線(xiàn)電壓，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.4 安裝要求  
      制動(dòng)單元與變頻器之間，以及制動(dòng)單元與電阻之間的配線(xiàn)距離要盡可能短（線(xiàn)長(zhǎng)在2m以下），導(dǎo)線(xiàn)要足夠粗；
      制動(dòng)單元在工作時(shí)，電阻將大量發(fā)熱，應(yīng)此要充分注意散熱，并使用耐熱導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)請(qǐng)勿觸及電阻器；
      放電功率電阻應(yīng)使用絕緣擋片固定牢固，安裝位置要確保良好散熱，建議電阻器安裝在電控柜頂部。

2.5 制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻的選配
A、首先估算出制動(dòng)轉(zhuǎn)矩

    一般情況下，在進(jìn)行電機(jī)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)內(nèi)部存在一定的損耗，約為額定轉(zhuǎn)矩的18%-22%左右，因此計(jì)算出的結(jié)果在小于此范圍的話(huà)就無(wú)需接制動(dòng)裝置；

B、接著計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值

在制動(dòng)單元工作過(guò)程中，直流母線(xiàn)的電壓的升降取決于常數(shù)RC，R即為制動(dòng)電阻的阻值，C為變頻器內(nèi)部電解電容的容量。這里制動(dòng) 單元?jiǎng)幼麟妷褐狄话銥?10V。

C、然后進(jìn)行制動(dòng)單元的選擇在進(jìn)行制動(dòng)單元的選擇時(shí)，制動(dòng)單元的工作最大電流是選擇的唯一依據(jù)，其計(jì)算公式如下：

D、最后計(jì)算制動(dòng)電阻的標(biāo)稱(chēng)功率   
      由于制動(dòng)電阻為短時(shí)工作制，因此根據(jù)電阻的特性和技術(shù)指標(biāo)，我們知道電阻的標(biāo)稱(chēng)功率將小于通電時(shí)的消耗功率，一般可用下式求得：
制動(dòng)電阻標(biāo)稱(chēng)功率 = 制動(dòng)電阻降額系數(shù) X 制動(dòng)期間平均消耗功率 X 制動(dòng)使用率%

2.6 制動(dòng)特點(diǎn)  
      能耗制動(dòng)（電阻制動(dòng)）的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是運(yùn)行效率降低，特別是在頻繁制動(dòng)時(shí)將要消耗大量的能量，且制動(dòng)電阻的容量將增大。

                                                     圖二 能耗制動(dòng)和制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻的連接方式

3 共用直流母線(xiàn)方式的回饋制動(dòng)   
      對(duì)于頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，或是四象限運(yùn)行的電機(jī)而言，如何處理制動(dòng)過(guò)程不僅影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而且還有經(jīng)濟(jì)效益的問(wèn)題。于是，回饋制動(dòng)成為人們討論的焦點(diǎn)，然而在目前大部分的通用變頻器還不能通過(guò)單獨(dú)的一臺(tái)變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)再生能量的情況下，如何用最簡(jiǎn)單的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)呢？   
      為解決以上問(wèn)題，這里介紹了一種共用直流母線(xiàn)方式的再生能量回饋系統(tǒng)，通過(guò)這種方式，它可以將制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行充分利用，從而起到既節(jié)約電能又處理再生電能的功效。
3.1 工作原理   
      我們知道通常意義上的異步電機(jī)多傳動(dòng)包括整流橋、直流母線(xiàn)供電回路、若干個(gè)逆變器，其中電機(jī)需要的能量是以直流方式通過(guò)PWM逆變器輸出。在多傳動(dòng)方式下，制動(dòng)時(shí)感生能量就反饋到直流回路。通過(guò)直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)上，制動(dòng)要求特別高時(shí)，只需要在共用母線(xiàn)上并上一個(gè)共用制動(dòng)單元即可。   
     在實(shí)際的應(yīng)用中，多傳動(dòng)的系統(tǒng)造價(jià)高、品牌少，也往往使用在鋼鐵、造紙等高端市場(chǎng)。以此參照到眾多的制動(dòng)小系統(tǒng)應(yīng)用，也不失為一種效率好、節(jié)能高的制動(dòng)方式。

                                                             圖三 共用直流母線(xiàn)的回饋制動(dòng)方式
圖三接線(xiàn)是典型的共用直流母線(xiàn)的制動(dòng)方式，M1是處于電動(dòng)狀態(tài)，M2經(jīng)常處于發(fā)電狀態(tài)，三相交流電源380V接到處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)M1上的變頻器VF1端，而VF2則通過(guò)共用直流母線(xiàn)方式與VF1的母線(xiàn)相連。在此種方式下，VF2僅做為逆變器在使用，M2處于電動(dòng)時(shí)，所需能量由交流電網(wǎng)通過(guò)VF1的整流橋獲得；M2處于發(fā)電時(shí)，反饋能量通過(guò)直流母線(xiàn)由M2的電動(dòng)狀態(tài)消耗。

3.2 應(yīng)用范圍   
      共用直流母線(xiàn)的制動(dòng)方式可典型應(yīng)用于造紙機(jī)械、印刷機(jī)械、離心分離機(jī)以及系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)等。在這些應(yīng)用中，有一個(gè)共同的特點(diǎn)：即處于發(fā)電狀態(tài)的M2的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于處于電動(dòng)狀態(tài)的M1的容量，而且當(dāng)M1的電動(dòng)狀態(tài)停止時(shí)（即變頻器VF1待機(jī)），M2的發(fā)電狀態(tài)隨即轉(zhuǎn)為電動(dòng)狀態(tài)。這樣，直流母線(xiàn)電壓就不會(huì)快速升高，系統(tǒng)始終處于比較穩(wěn)定的狀態(tài)。   

      這里以離心機(jī)為例進(jìn)行應(yīng)用說(shuō)明。過(guò)濾式螺旋卸料離心機(jī)，在全速下連續(xù)進(jìn)料、連續(xù)卸料，自動(dòng)完成進(jìn)料、分離、洗滌、卸料等工序。離心機(jī)的核心是過(guò)濾型轉(zhuǎn)鼓，利用主機(jī)和副機(jī)的差轉(zhuǎn)速來(lái)控制卸料速度，并實(shí)現(xiàn)無(wú)人安全操作。在處理過(guò)程中，主機(jī)始終處于電動(dòng)狀態(tài)，而副機(jī)則由于轉(zhuǎn)速差的作用，基本上處于發(fā)電狀態(tài)。主機(jī)和副機(jī)功率通常為22KW和5.5KW、30KW和7.5KW、45KW和11KW等4:1匹配，符合本節(jié)闡述的工作方式。為考慮到副機(jī)供電也是由主機(jī)變頻器的整流橋提供，因此必須考慮到VF1的整流橋的額定電流（不同的變頻器廠(chǎng)商其整流橋規(guī)格不一樣），以此來(lái)決定VF1的選型。VF2的選型必須考慮到能夠屏蔽輸入缺相功能的變頻器。應(yīng)用本制動(dòng)方式后，離心機(jī)不僅效率提高，而且節(jié)能效果好、運(yùn)行平穩(wěn)、維護(hù)簡(jiǎn)單。

3.3 制動(dòng)特點(diǎn)  
      采用共用直流母線(xiàn)的制動(dòng)方式，具有以下顯著的特點(diǎn)：
a. 共用直流母線(xiàn)和共用制動(dòng)單元，可以大大減少整流器和制動(dòng)單元的重復(fù)配置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，經(jīng)濟(jì)可靠。
b. 共用直流母線(xiàn)的中間直流電壓恒定，電容并聯(lián)儲(chǔ)能容量大；
c. 各電動(dòng)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；
d. 提高系統(tǒng)功率因數(shù)，降低電網(wǎng)諧波電流，提高系統(tǒng)用電效率。

4 回饋到交流電網(wǎng)的制動(dòng)方式   
      在生產(chǎn)工況中，我們往往又會(huì)碰到另外一個(gè)問(wèn)題：如何真正實(shí)現(xiàn)從電機(jī)到直流母線(xiàn)、再?gòu)闹绷髂妇�(xiàn)到交流電網(wǎng)的能量回饋呢？由于通用變頻器一般采用不可控整流橋，因此必須采取其他的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.1 工作原理   
      要實(shí)現(xiàn)直流回路與電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術(shù)：即將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。

                                                                      圖四 回饋電網(wǎng)制動(dòng)原理圖
圖四所示為回饋電網(wǎng)制動(dòng)原理圖，它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，且具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。同時(shí)，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得我們能夠完全控制交流側(cè)和直流側(cè)之間的無(wú)功和有功的交換。

4.2 制動(dòng)特點(diǎn)
a.廣泛應(yīng)用于PWM交流傳動(dòng)的能量回饋制動(dòng)場(chǎng)合，節(jié)能運(yùn)行效率高；
b.不產(chǎn)生任何異常的高次諧波電流成分，綠色環(huán)保；
c.功率因數(shù)≈1；
d. 多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中，每一單機(jī)的再生能量可以得到充分利用；
e.節(jié)省投資，易于控制網(wǎng)側(cè)諧波和無(wú)功分量；

5 結(jié)束語(yǔ)   
      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，用戶(hù)必須考慮配套使用制動(dòng)方式：電機(jī)拖動(dòng)大慣量負(fù)載（如離心機(jī)、龍門(mén)刨、巷道車(chē)、行車(chē)的大小車(chē)等）并要求急劇減速或停車(chē)；電機(jī)拖動(dòng)位能負(fù)載（如電梯，起重機(jī)，礦井提升機(jī)等）；電機(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)紙輥電機(jī)、化纖機(jī)械牽伸機(jī)等）。以上幾類(lèi)負(fù)載的共同特點(diǎn)，要求電機(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。本文試圖從工程的角度論述了能耗制動(dòng)、回饋到共用直流母線(xiàn)方式的制動(dòng)、回饋到交流電網(wǎng)的制動(dòng)共3種典型制動(dòng)方式的工作原理，以及應(yīng)用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。