變頻調(diào)速器中制動(dòng)電阻的工作原理

 

　　1.1 變頻器由主電路和控制電路組成

 

　　主電路是電源頻率變換部分，主要由三部分組成。包括將工頻變換為直流功率的“整流器”、吸收電壓脈動(dòng)的“濾波回路”、以及將直流變換為交流的“逆變器”。控制電路是給主電路提供控制信號(hào)的回路，它包括運(yùn)算、檢測(cè)、速度檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路組成。

 

　　1.2 重點(diǎn)介紹變頻器的主回路工作原理

 

　　1.2.1 整流電路 VD1-VD6組成三相橋式全波整流電路。

 

　　1.2.1 濾波電路。整流后的電壓為脈動(dòng)電壓，濾波電容Cl起濾波作用。由于儲(chǔ)能電容較大，接入電源時(shí)電容兩端電壓為0，因而在上電瞬間濾波電容Cl的充電電流很大，過大的電流會(huì)損壞整流管，為限制充電電流在整流橋上電瞬間串入充電電阻Rs，當(dāng)Cl充電到一定程度時(shí)由旁路開關(guān)Ks將Rs短路。

 

　　1.2.3 逆變電路。V1-V6組成的逆變橋?qū)⒅绷麟娔孀兂深l率、幅值都可調(diào)的交流電。續(xù)流二極管D1-D6為無功電流返回到直流電源提供通道；當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，再生電能通過D1-D6返回直流回路；V1-V6進(jìn)行逆變過程是同一橋臂兩個(gè)逆變管交替導(dǎo)通和截止，在換相過程中也需要D1-D6提供通路。

 

　　1.2.4 儲(chǔ)能、制動(dòng)電路。由于逆變管V1-V6每次由導(dǎo)通切換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，C極和E極間的電壓由近乎0V上升到直流電壓值UD，過高的電壓可能損壞逆變管，儲(chǔ)能電容C1、C2的作用便是降低V1-V6關(guān)斷時(shí)的電壓增長率；電機(jī)在減速時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可能超過此時(shí)的同步轉(zhuǎn)速而處于發(fā)電狀態(tài)，系統(tǒng)的動(dòng)能將回饋到母線上致電壓升高，甚至可能損壞變頻器，制動(dòng)電阻Rb就是用來消耗這部分能量的。

　  2. 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理

 

　　三相異步電動(dòng)機(jī)通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。我們定義同步轉(zhuǎn)速是指旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度，用n0表示；轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)速為n；同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速之比，稱為轉(zhuǎn)差率s，f為電源頻率，p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

 

　　同步轉(zhuǎn)速：n0=60f/p，轉(zhuǎn)差率：s=（n0-n）/n0，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：n=60f/p（1-s）

 

　　由上式可知，改變電源頻率、極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)差率均可達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。然而在實(shí)際中，普通電機(jī)一經(jīng)出廠，極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)差率即固定不變，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，只能改變電源的頻率。

 

　　3 電機(jī)回饋能量的產(chǎn)生及變頻器制動(dòng)單元的作用

 

　　在引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速中，當(dāng)工藝要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)快速減速和停機(jī)時(shí)候，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨著變頻器輸出頻率隨之下降，但由于此類負(fù)載慣性較大，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不能隨之馬上降低。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)電機(jī)變成發(fā)電狀態(tài)，再生電能回饋到直流電路。由于直流電路的電能無法回饋到電網(wǎng)，僅靠變頻器內(nèi)部功率有限的電阻吸收是不夠的，電荷堆積使電壓不斷上升，過高的電壓將損壞內(nèi)部元件。為保證變頻器安全，內(nèi)部的過壓保護(hù)會(huì)動(dòng)作，造成變頻器停機(jī)。維持在此類工業(yè)環(huán)境中變頻器穩(wěn)定運(yùn)行，必須將電動(dòng)機(jī)發(fā)電制動(dòng)狀中回饋的電能消耗掉。

 

　　通過在變頻器直流母線上加裝制動(dòng)電阻單元，將再生電能以熱能形式消耗掉來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速快速降低或停車。它包括制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻兩部分。制動(dòng)單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓UD超過規(guī)定的限值時(shí)接通制動(dòng)電阻，使電能通過電阻以熱能方式釋放。制動(dòng)電阻單元可分內(nèi)置式和外置式兩種。前者是適用于小功率的通用變頻器，即圖1中虛線框所示部分；由于變頻器內(nèi)部空間狹小，散熱條件有限等原因，后者則是適用于較大功率變頻器或是對(duì)制動(dòng)有特殊要求的工況中。

 

　　當(dāng)工況變化時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高達(dá)到制動(dòng)單元導(dǎo)通值時(shí)，電流流過制動(dòng)電阻以熱能形式消耗，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線電壓也降低；當(dāng)母線電壓降至制動(dòng)單元要關(guān)斷的值，制動(dòng)單元的功率管截止，制動(dòng)電阻無電流流過；制動(dòng)單元通過不斷重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷過程，平衡母線電壓，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。