电机试验电源制动单元工程化计算及应用

王世平，梁金成，黄志国，徐娟

（1.中国南车株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，湖南 株洲 412001；2.中国南车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001）

1 引言

电机试验作为电机生产的主要环节，是电机性能和质量检验的主要方面，电机厂家都很重视电机试验设备建设。在国家“节能减排”政策的支持下，越来越多的电机厂采用更节能的电机试验系统。近年来，人们使用高性能的电力电子元件和DSP，结合PWM控制算法，研制出了变频方式的静止电机试验电源［1］，具有环保、节能、使用方便等特点，适合电机试验需要快速变换工况的要求。

电机试验过程中，需要进行频繁的启停工况。电机启动过程，由于采用变频方式启动，解决了采用机组试验中的启动困难问题，特别是大电机。电机停机过程，则要求快速停机。变频方式试验系统中，电机停机过程伴随着能量的再生回馈［2］，这会导致直流回路电压升高。因此，必须采用制动单元，消耗掉回馈到直流侧的电能，才能保证设备和人员的安全。

本文依据对制动转矩和制动过程时间的要求，着重介绍了电机试验电源制动单元的分析及计算，并且在实际工程中进行了应用。结果表明，依据本文计算过程得到的制动单元参数，满足电机试验快速制动的要求。制动单元包括斩波单元和制动电阻。

2 制动单元的确定

2.1 制动电阻的确定

变频器拖动电动机进行制动运行，由于电机转子惯性，电动机转速将大于其同步转速n0。电动机产生与转速方向相反的制动转矩，以保证负载减速制动，电动机工作在第4象限；此时电机工作于发电状态，产生的电能除部分消耗在电动机内部铜损和铁损外，其余大部分将通过变频器逆变桥回馈到直流母线侧，使直流母线电压升高。如不采取措施，很容易引起直流电压过高，影响设备和生产的正常运行。需要使用制动单元，由斩波单元监测直流回路电压，并通过开关器件形成一个斩波电路，由制动电阻消耗电机回馈的电能，达到快速停车的目的［3-4］。

斩波制动单元的作用是进行瞬时过电压保护，如图1所示。当检测到的电压高于设定值时，接通制动电阻回路，让电阻消耗部分电能，释放的电功率取决于电机参数、制动单元容量、制动电阻值。

图1 制动单元原理图Fig.1 Schematic diagram of brake unit

制动电阻为

式中：Ra为制动回路总电阻，Ω；Rl为制动回路导线电阻，Ω；Rm为电机电枢电阻，Ω。

式中：Em为制动瞬间电机反电势最大值，V（空载时，Em≈Um）；Im为制动电流最大值，A（制动瞬间电流Im≈KIe）；Um为电机端最大电压，V；Ue为电机额定电压，V；Ie为电机额定电流，A；K为电机允许过载倍数。

制动回路导线电阻Rl可根据导线材质、截面、长度计算得出。

电机电枢电阻Rm一般由电机样本给出，当阻值无法得到时，也可由下式推算：

式中：Ee为电机额定电势，V。

式中：Ceφ为电机电势常数；Cmφ为电机力矩常数；Me为电机额定力矩，N·m；ne为电机额定转速，r／min；Pe为电机额定功率，kW。

综合式（1）～式（4），可得制动电阻为

为简便计算，可忽略电机电枢电阻Rm及线路电阻Rl，则：

此时，由于式（6）减去了电枢电阻及线路电阻，所选择的制动电阻阻值满足了实际工程的应用。

2.2 斩波单元的确定

斩波单元的作用是电平检测［5］和斩波，一般由IGBT斩波管及其控制电路构成，如图2所示。

图2 斩波单元示意图Fig.2 Schematic diagram of chopper unit

当试验电机进行制动或电路出现故障导致直流电压过高时，斩波单元检测到的电压高于设定值，打开制动电阻回路，让电阻消耗部分电能，以对电机进行快速制动或保护电路安全［6］。斩波单元释放的电功率取决于制动单元的容量和制动电阻值。

3 制动工况下等效电流的确定

为简化推导及计算过程，略去静阻力矩对电机制动过程的影响。此时，电机制动期间力矩、电流特性曲线如图3所示。

图3 力矩 电流特性曲线Fig.3 Curves of torque current characteristic

由图3得到增磁段力矩方程为

其中

式中：Mz为增磁段力矩，N·m；Mm为电机最大制动力矩，N·m。

增磁段电流即为电机制动瞬间电流：

恒磁段力矩方程为

恒磁段电流方程为

根据动态力矩方程：

式中：∑GD2为折算到电机轴上的飞轮力矩，kg·m2。

将式（7）代入式（11），得到增磁段力矩平衡方程为

解方程得到增磁段制动时间为

将式（9）代入式（11），得到恒磁段力矩平衡方程为

解方程得到恒磁段制动时间为

将式（16）代入式（10），得到恒磁段制动电流方程为

根据式（17）绘制制动电流过渡曲线，如图4所示。

根据曲线求得制动周期内的恒磁段等效电流为

图4 制动电流过渡曲线Fig.4 Curve of braking current transition

结合式（14）和式（18）得到电机工作周期内的等效制动全电流为

3.1 电机频繁制动工况下等效电流的确定

在反复短时工作制、频繁制动的情况下，等效制动电流可按照式（19）计算得到。

当制动过程中不存在增磁段时，等效制动电流为

当电机最高运行转速小于额定转速时，等效电流计算仍按式（20）进行，而时间常数用下式求得：

3.2 电机偶尔制动工况下等效电流的确定

电机偶尔制动工况下，取制动周期T为制动电阻的热时间常数，并令在此期间的制动次数为Kz，则式（19）可转变为

一般情况下，考虑到τ＝T，则式（22）可简化为

电机偶尔制动工况下的等效电流即可由式（23）计算得到。当电机制动过程不存在增磁段时，等效制动电流变为

当电机最高运行转速小于额定转速时，等效电流公式仍用式（24）求取，而时间常数计算用式（21）。

4 实际计算及应用

某电机有限公司的一套750kV·A电机试验电源，用于维修电机进行出厂试验。由于试验电机量大，需要频繁启停操作。

试验电机参数：YBK2－250M－4，55kW，380 V，103.3A，1480r／min，50Hz，∑GD2＝0.084kg·m2。

根据以上参数，在进行电机试验电源制动单元设计时，考虑线路电阻Rl＝0，则：

电动机额定力矩为

电流下降曲线时间常数为

等效制动电流按式（20）进行求取，其中斩波制动周期按照斩波管最快动作时间进行确定：

选取Cr25Ni20型电阻带，阻值实际选为3.8 Ω，额定电流62.5A，则其额定功率约为15kW。

图5和图6为在现场实际应用所截取波形，其中，图5为电机制动波形，图6为斩波启动波形。

图5 制动波形Fig.5 Waveform of braking

图6 斩波波形Fig.6 Waveform of chopper

5 结论

本文结合工程实际应用，针对变频方式电机试验电源系统，推导了电机试验频繁制动工况下需要的制动电阻阻值及等效电流计算公式［7］。由于略去了电机静阻力矩对制动过程的影响，使得根据推导公式求得的等效电流较实际值偏大，因此对于电阻的选择在安全范围内。

斩波单元及制动电阻在实际应用时，斩波单元距离变频器的距离不应太远［8］，否则会因线间分布电感的存在而削弱制动电阻的制动效果；制动电阻的电缆也不宜过长，否则斩波电阻两端将产生斩波电压尖峰，对斩波单元的器件带来不利影响［8］。

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