制动电阻在变频调速中的应用

2013-09-07

中国新技术新产品 2013年6期

（中煤龙化哈尔滨煤化工有限公司黑龙江哈尔滨 154854）

由于变频调速具有调速的平滑性、范围大、启动电流小等优势，近年来在电动机调速中的得到了广泛应用。在生产中，诸如引风机这类惯性较大的设备，快速降频或停机，会导致变频器过电压保护动作，造成设备频繁停机，本文将从三相异步电动机和变频器的工作原理出发，简述制动电阻在此类工业环境中的应用。

1 三相异步电动机的调速原理

三相异步电动机通入三相交流电，产生旋转磁场，旋转磁场切割转子闭合导体产生感应电流，转子电流与定子磁场相互作用产生电磁力，带动转子旋转。我们定义同步转速是指旋转磁场的速度，用n0表示；转子输出转速为n；同步转速与转子转速的差值与磁场同步转速之比，称为转差率s，f为电源频率，p为电机极对数。

同步转速：n0＝60f/p，转差率：s=(n0-n)/n0，电动机转速：n=60f/p(1-s)

由上式可知，改变电源频率、极对数及转差率均可达到改变电机转速的目的。然而在实际中，普通电机一经出厂，极对数及转差率即固定不变，实现无级调速，只能改变电源的频率。

2 变频器结构原理

2.1 变频器由主电路和控制电路组成

主电路是电源频率变换部分，主要由三部分组成。包括将工频变换为直流功率的“整流器”、吸收电压脉动的“滤波回路”、以及将直流变换为交流的“逆变器”。控制电路是给主电路提供控制信号的回路，它包括运算、检测、速度检测、驱动、保护等电路组成。

2.2 重点介绍变频器的主回路工作原理

图1 变频器主回路原理图

2.2.1 整流电路VD1-VD6组成三相桥式全波整流电路。

2.2.1 滤波电路。整流后的电压为脉动电压，滤波电容Cl起滤波作用。由于储能电容较大，接入电源时电容两端电压为0，因而在上电瞬间滤波电容Cl的充电电流很大，过大的电流会损坏整流管，为限制充电电流在整流桥上电瞬间串入充电电阻Rs，当Cl充电到一定程度时由旁路开关Ks将Rs短路。

2.2.3 逆变电路。V1-V6组成的逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电。续流二极管D1-D6为无功电流返回到直流电源提供通道；当电机处于制动状态时，再生电能通过D1-D6返回直流回路；V1-V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管交替导通和截止，在换相过程中也需要D1-D6提供通路。

2.2.4 储能、制动电路。由于逆变管V1-V6每次由导通切换到截止状态的瞬间，C极和E极间的电压由近乎0V上升到直流电压值UD，过高的电压可能损坏逆变管，储能电容C1、C2的作用便是降低V1-V6关断时的电压增长率；电机在减速时转子的转速可能超过此时的同步转速而处于发电状态，系统的动能将回馈到母线上致电压升高，甚至可能损坏变频器，制动电阻Rb就是用来消耗这部分能量的。

3 电机回馈能量的产生及变频器制动单元的作用

在引风机变频调速中，当工艺要求实现电机快速减速和停机时候，电机的同步转速随着变频器输出频率随之下降，但由于此类负载惯性较大，电机的转子转速并不能随之马上降低。当同步转速小于转子转速时，输出到电机轴的转矩变成了制动转矩，使电机的转速下降，此时电机变成发电状态，再生电能回馈到直流电路。由于直流电路的电能无法回馈到电网，仅靠变频器内部功率有限的电阻吸收是不够的，电荷堆积使电压不断上升，过高的电压将损坏内部元件。为保证变频器安全，内部的过压保护会动作，造成变频器停机。维持在此类工业环境中变频器稳定运行，必须将电动机发电制动状中回馈的电能消耗掉。

通过在变频器直流母线上加装制动电阻单元，将再生电能以热能形式消耗掉来实现转速快速降低或停车。它包括制动单元和制动电阻两部分。制动单元的功能是当直流回路的电压UD超过规定的限值时接通制动电阻，使电能通过电阻以热能方式释放。制动电阻单元可分内置式和外置式两种。前者是适用于小功率的通用变频器，即图1中虚线框所示部分；由于变频器内部空间狭小，散热条件有限等原因，后者则是适用于较大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。

当工况变化时，电机处于发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高达到制动单元导通值时，电流流过制动电阻以热能形式消耗，电机的转速降低，母线电压也降低；当母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；制动单元通过不断重复导通和关断过程，平衡母线电压，保证系统正常运行。

4 制动电阻单元在生产中的应用

某煤化工厂，闪蒸汽回收需要用到两台引风机，配置两台18.5kW变频电机，通过两台变频器控制转速。在使用中，由于入口压力不稳定，为保证生产稳定，变频器输出频率处于一个较宽的变化范围，经常需要快速降频，由于该变频器容量较大，且属于惯性负载，变频器的迅速降频，导致变频器直流母线极短时间内形成泵升电压超允许值，保护动作，变频器频繁停机，无法保证稳定运行，给生产带来严了重影响。通过加装制动单元和制动电阻后，解决了这一生产难题。