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    摘要：本文在簡介變頻調(diào)速系統(tǒng)運行狀態(tài)的基礎上，闡述了在變頻調(diào)速系統(tǒng)設計中應考慮制動方式的應用場合，重點論述了變頻調(diào)速系統(tǒng)采共用直流母線方案的接線及工程應用。

關(guān)鍵詞：運行制動方案

1.變頻調(diào)速系統(tǒng)運行狀態(tài)

    不少的生產(chǎn)機械在運行過程中需要快速地減速或停車，而有些設備在生產(chǎn)中要求保持若干臺設備前后一定的轉(zhuǎn)速差或者拉伸率，這時就會產(chǎn)生發(fā)電制動的問題，使電動機運行在第二或第四象限。而對于變頻器，如果輸出頻率降低，電動機轉(zhuǎn)速將跟隨頻率同樣降低，這時會產(chǎn)生制動過程，由制動產(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)制動能力，不能依靠增加變頻器的容量來解決再生能量問題。需要選用制動電阻、制動單元或功率再生變換器等選件來改善變頻器的制動能力。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”。在實際應用中實現(xiàn)“再生能量回饋”需要“能量回饋單元”選件。

    然而在實際應用中，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，因此要實現(xiàn)回饋制動和四象限運行就比較困難。

    圖1所示為變頻器調(diào)速系統(tǒng)的二種運行狀態(tài)，即電動和發(fā)電狀態(tài)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的，在頻率減小的瞬間，電動機的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當同步轉(zhuǎn)速w1小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w時，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180度，電動機從電動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時，電動機軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩Te，使電動機的轉(zhuǎn)速迅速下降，電動機處于再生制動狀態(tài)。電動機再生的電能經(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法通過整流橋回饋到電網(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，但電容器仍有短時間的電荷堆積，形成“泵升電壓”，使直流電壓Ud升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，對于負載處于發(fā)電制動狀態(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行于一、三象限，即電動狀態(tài)，因此在以下應用場合，必須考慮配套使用制動方式：

①電動機拖動大慣量負載（如離心機、龍門刨、巷道車、行車的大小車等）并要求急劇減速或停車。

②電動機拖動位能負載（如電梯，起重機，礦井提升機等）。

③電動機經(jīng)常處于被拖動狀態(tài)（如離心機副機、造紙機導紙輥電動機、化纖機械牽伸機等）。

以上幾類負載的共同特點是要求電動機不僅運行于電動狀態(tài)（一、三象限），而且要運行于發(fā)電制動狀態(tài)（二、四象限）。為使系統(tǒng)在發(fā)電制動狀態(tài)能正常工作，必須采取適當?shù)闹苿臃绞健?/p>

2.共用直流母線系統(tǒng)方案

    在同一個電力拖動系統(tǒng)中的一個或多個傳動單元，有時會發(fā)生電機運行在發(fā)電狀態(tài)，并將再生能量反饋到變頻器中來，這種現(xiàn)象叫“再生能量”。這種情況一般發(fā)生在電機被機械設備慣性拖動的時候（也就是被一個遠遠高于設定值的速度拖動的時候），或是當驅(qū)動電機發(fā)生制動以提供足夠的張力的時候（如放卷系統(tǒng)中的傳動電機）。

    通用變頻器在設計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吸收的能量都會保存在電容中，最終導致變頻器中的直流母線電壓升高。如果變頻器配備制動單元和制動電阻，變頻器就可以通過短時間接通電阻，使電能以熱方式消耗掉。當然只要充分考慮到制動時最大的電流容量、負載周期和消耗到制動電阻上的額定功率就可以設計或選擇合適的制動單元，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。這種制動單元的工作方式其實就是消耗能量的一種能耗制動。

    如果有多臺變頻器通過直流母線互連，一個或多個電機產(chǎn)生的再生能量就可以被其他電機以電動的方式消耗吸收了。這是一種非常有效的工作方式，即使有多個部位的電機一直處于連續(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)機械設備仍需要一個更快剎車或緊急停止的狀態(tài)的話，那就需要再加上一個一定容量的制動單元和制動電阻以便在需要時工作，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，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

    對于通用變頻器而言，采用共用直流母線很重要的一點就是在共用直流母線上電時必須充分考慮到變頻器的控制、傳動系統(tǒng)故障、負載特性和輸入主回路保護等。圖2所示為一種應用比較廣泛的共用直流母線方案接線。該方案包括3相進線（保持同一相位）、直流母線、通用變頻器組、公共制動單元（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：

①使用一個完整的變頻器，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每一個變頻器都可以單獨從直流母線中分離出來而不影響其他系統(tǒng)。

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

⑤采用快速熔斷器來保護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三相交流電源。

    在圖2中，QF是每個變頻器的進線保護裝置，它應該采用帶輔助觸點的空氣開關(guān)，因為直流接觸器MC的接通必須同時滿足QF的輔助觸點閉合和變頻器運行狀態(tài)正常這兩個條件，否則MC就斷開。

    LR為進線電抗器，由于實際工作現(xiàn)場的復雜環(huán)境往往會導致電網(wǎng)的波動并產(chǎn)生高次諧波，使用進線電抗器就能有效地避免這些因素對變頻器的影響，也可用于增加電源阻抗并吸收附近設備投入工作時產(chǎn)生的浪涌電壓和主電源的電壓尖峰，從而最終保護變頻器的整流單元。

    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以進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信號或無源觸點信號輸出，其輸出信號至少包括：

①READY信號：該信號輸出有效則表示變頻器無故障，母線電壓正常，可以接受啟動命令。

②FAULT信號：該信號輸出表示變頻器故障。

    FU為半導體快速熔斷器，額定電壓通常可選700VDC，如Bussman的FWP系列Gouldshawmut的A70P系列，額定電流必須考慮到驅(qū)動電機在電動或制動時的最大能量，一般情況下可以額定負載的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)動電機制動時的最大電流來選取，一般情況下可以選額定負載的120%電流。

（2）共用直流母線的應用

    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)域的很多機械設備上得到廣泛應用，不僅整機（設備加電氣）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雙電機驅(qū)動。雙電機驅(qū)動電路如圖3所示，與主動件相連的電機處于電動工作狀態(tài)為主電機，與從動件相連的電機由于轉(zhuǎn)鼓差速的作用始終處于發(fā)電狀態(tài)的為副電機。主、副電機各用一臺普通變頻器驅(qū)動，采用公共直流母線方案，較好的解決副電機持續(xù)發(fā)電的再生能量問題，并達到節(jié)能的效果。

②多電機驅(qū)動。多電機驅(qū)動設備通常包括幾個主要的傳動電機，例如紡織機械通常有一道、二道、三道牽伸和卷曲，它們需要同步運行。在同步時，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則處于電動狀態(tài)。M1和M2發(fā)電是由于3道牽伸的電動所引起的，該2臺電機所產(chǎn)生的回饋能量足以消耗到處于電動狀態(tài)下的M3和M4中，而不會引起直流回路母線電壓的升高，這樣通過圖4接線就可以解決再生能量的制動問題，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。多電機驅(qū)動設備采用共用直流母線的控制方式，具有以下顯著的特點：

①共用直流母線可以大大減少制動單元的重復配置，結(jié)構(gòu)簡單合理，經(jīng)濟可靠。

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)電容器的儲能容量較大。

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