剎車(chē)電阻在變頻調(diào)速中的廣泛應(yīng)用

由于變頻調(diào)速具有調(diào)速的平滑性、范圍大、啟動(dòng)電流小等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在電動(dòng)機(jī)調(diào)速中的得到了廣泛應(yīng)用。在生產(chǎn)中，諸如引風(fēng)機(jī)這類(lèi)慣性較大的設(shè)備，快速降頻或停機(jī)，會(huì)導(dǎo)致變頻器過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作，造成設(shè)備頻繁停機(jī)，本文將從三相異步電動(dòng)機(jī)和變頻器的工作原理出發(fā)，簡(jiǎn)述剎車(chē)電阻在此類(lèi)工業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。

1、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(chēng)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(chǎng)，極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)差率即固定不變，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，只能改變電源的頻率。

2、變頻器結(jié)構(gòu)原理
2.1、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”�？刂齐娐肥墙o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。
2.2、重點(diǎn)介紹變頻器的主回路工作原理
2.2.1、整流電路 VD1-VD6組成三相橋式全波整流電路。
2.2.1、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(guò)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(kāi)關(guān)Ks將Rs短路。
2.2.3、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(wú)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(guò)D1-D6返回直流回路；V1-V6進(jìn)行逆變過(guò)程是同一橋臂兩個(gè)逆變管交替導(dǎo)通和截止，在換相過(guò)程中也需要D1-D6提供通路。
2.2.4、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(guò)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(zhǎng)率；電機(jī)在減速時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可能超過(guò)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(xiàn)上致電壓升高，甚至可能損壞變頻器，剎車(chē)電阻Rb就是用來(lái)消耗這部分能量的。

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(lèi)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(wú)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(guò)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(guò)壓保護(hù)會(huì)動(dòng)作，造成變頻器停機(jī)。維持在此類(lèi)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(guò)在變頻器直流母線(xiàn)上加裝剎車(chē)電阻單元，將再生電能以熱能形式消耗掉來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速快速降低或停車(chē)。它包括制動(dòng)單元和剎車(chē)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(guò)規(guī)定的限值時(shí)接通剎車(chē)電阻，使電能通過(guò)電阻以熱能方式釋放。剎車(chē)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(xiàn)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(xiàn)電壓升高達(dá)到制動(dòng)單元導(dǎo)通值時(shí)，電流流過(guò)剎車(chē)電阻以熱能形式消耗，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線(xiàn)電壓也降低；當(dāng)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，剎車(chē)電阻無(wú)電流流過(guò)；制動(dòng)單元通過(guò)不斷重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷過(guò)程，平衡母線(xiàn)電壓，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4、剎車(chē)電阻單元在生產(chǎn)中的應(yīng)用
某煤化工廠(chǎng)，閃蒸汽回收需要用到兩臺(tái)引風(fēng)機(jī)，配置兩臺(tái)18.5kW變頻電機(jī)，通過(guò)兩臺(tái)變頻器控制轉(zhuǎn)速。在使用中，由于入口壓力不穩(wěn)定，為保證生產(chǎn)穩(wěn)定，變頻器輸出頻率處于一個(gè)較寬的變化范圍，經(jīng)常需要快速降頻，由于該變頻器容量較大，且屬于慣性負(fù)載，變頻器的迅速降頻，導(dǎo)致變頻器直流母線(xiàn)極短時(shí)間內(nèi)形成泵升電壓超允許值，保護(hù)動(dòng)作，變頻器頻繁停機(jī)，無(wú)法保證穩(wěn)定運(yùn)行，給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)了重影響。通過(guò)加裝制動(dòng)單元和剎車(chē)電阻后，解決了這一生產(chǎn)難題。
通過(guò)加裝剎車(chē)電阻單元，使回饋電能以熱能的形式消耗在剎車(chē)電阻上，從而解決了變頻器在驅(qū)動(dòng)較大慣性負(fù)載，迅速降頻或快速停車(chē)導(dǎo)致的保護(hù)動(dòng)作給生產(chǎn)帶來(lái)的不穩(wěn)定。使變頻調(diào)速更為廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。