浅谈负载发电和变频制动的方式

1 前言 不少的生产机械在运行过程中需要快速地减速或停车，而有些设备在生产中要求保持若干台设备前后一定的转速差或者拉伸率，这时就会产生发电制动的问题，使电机运行在第二或第四象限。然而在实际应用中，由于大多通用变频器都采用电压源的控制方式，其中间直流环节有大电容钳制着电压，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控整流桥，不能使电流反向，因此要实现回馈制动和四象限运行就比较困难。 图一 变频器调速系统的二种运行状态 图一所示为变频器调速系统的二种运行状态，即电动和发电。在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速w1小于转子转速w时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩Te，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能P经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。 因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取必需的措施处理这部分再生能量。本文阐述的就是处理再生能量的方法：能耗制动和回馈制动。 2 能耗制动的工作方式 能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动（如图二所示）。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，因此又被称为“电阻制动”，它包括制动单元和制动电阻二部分。 2.1 制动单元 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（如660V或710V），接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式二种，前者是适用于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。 2.2 制动电阻 制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种：前者采用表面立式波纹有利于散热减低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命；后者电阻器耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻器，广泛应用于高要求恶劣工控环境使用，易紧密安装、易附加散热器，外型美观。 2.3 制动过程 能耗制动的过程如下：A、当电机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；B、当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；C、制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低；D、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；E、采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡母线电压，使系统正常运行。 2.4 安装要求 制动单元与变频器之间，以及制动单元与电阻之间的配线距离要尽可能短（线长在2m以下），导线要足够粗； 制动单元在工作时，电阻将大量发热，应此要充分注意散热，并使用耐热导线，导线请勿触及电阻器； 放电功率电阻应使用绝缘挡片固定牢固，安装位置要确保良好散热，建议电阻器安装在电控柜顶部。 2.5 制动单元与制动电阻的选配 A、首先估算出制动转矩 一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置； B、接着计算制动电阻的阻值 在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电解电容的容量。这里制动 单元动作电压值一般为710V。 C、然后进行制动单元的选择 在进行制动单元的选择时，制动单元的工作最大电流是选择的唯一依据，其计算公式如下： D、最后计算制动电阻的标称功率 由于制动电阻为短时工作制，因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得： 制动电阻标称功率 = 制动电阻降额系数 X 制动期间平均消耗功率 X 制动使用率% 2.6 制动特点 能耗制动（电阻制动）的优点是构造简单，缺点是运行效率降低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量，且制动电阻的容量将增大。 图二 能耗制动和制动单元、制动电阻的连接方式 3 共用直流母线方式的回馈制动 对于频繁启动、制动，或是四象限运行的电机而言，如何处理制动过程不仅影响系统的动态响应，而且还有经济效益的问题。于是，回馈制动成为人们讨论的焦点，然而在目前大部分的通用变频器还不能通过单独的一台变频器来实现再生能量的情况下，如何用最简单的办法来实现回馈制动呢？ 为解决以上问题，这里介绍了一种共用直流母线方式的再生能量回馈系统，通过这种方式，它可以将制动产生的再生能量进行充分利用，从而起到既节约电能又处理再生电能的功效。 3.1 工作原理 我们知道通常意义上的异步电机多传动包括整流桥、直流母线供电回路、若干个逆变器，其中电机需要的能量是以直流方式通过PWM逆变器输出。在多传动方式下，制动时感生能量就反馈到直流回路。通过直流回路，这部分反馈能量就可以消耗在其他处在电动状态的电机上，制动要求特别高时，只需要在共用母线上并上一个共用制动单元即可。 在实际的应用中，多传动的系统造价高、品牌少，也往往使用在钢铁、造纸等高端市场。以此参照到众多的制动小系统应用，也不失为一种效率好、节能高的制动方式。 图三接线是典型的共用直流母线的制动方式，M1是处于电动状态，M2经常处于发电状态，三相交流电源380V接到 图三 共用直流母线的回馈制动方式 处于电动状态的电机M1上的变频器VF1端，而VF2则通过共用直流母线方式与VF1的母线相连。在此种方式下，VF2仅做为逆变器在使用，M2处于电动时，所需能量由交流电网通过VF1的整流桥获得；M2处于发电时，反馈能量通过直流母线由M2的电动状态消耗。 3.2 应用范围 共用直流母线的制动方式可典型应用于造纸机械、印刷机械、离心分离机以及系统驱动等。在这些应用中，有一个共同的特点：即处于发电状态的M2的容量远远小于处于电动状态的M1的容量，而且当M1的电动状态停止时（即变频器VF1待机），M2的发电状态随即转为电动状态。这样，直流母线电压就不会快速升高，系统始终处于比较稳定的状态。 这里以离心机为例进行应用说明。过滤式螺旋卸料离心机，在全速下连续进料、连续卸料，自动完成进料、分离、洗涤、卸料等工序。离心机的核心是过滤型转鼓，利用主机和副机的差转速来控制卸料速度，并实现无人安全操作。在处理过程中，主机始终处于电动状态，而副机则由于转速差的作用，基本上处于发电状态。主机和副机功率通常为22KW和5.5KW、30KW和7.5KW、45KW和11KW等4:1匹配，符合本节阐述的工作方式。为考虑到副机供电也是由主机变频器的整流桥提供，因此必须考虑到VF1的整流桥的额定电流（不同的变频器厂商其整流桥规格不一样），以此来决定VF1的选型。VF2的选型必须考虑到能够屏蔽输入缺相功能的变频器。应用本制动方式后，离心机不仅效率提高，而且节能效果好、运行平稳、维护简单。 3.3 制动特点 采用共用直流母线的制动方式，具有以下显著的特点： a. 共用直流母线和共用制动单元，可以大大减少整流器和制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。 b. 共用直流母线的中间直流电压恒定，电容并联储能容量大； c. 各电动机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性； d. 提高系统功率因数，降低电网谐波电流，提高系统用电效率。 4 回馈到交流电网的制动方式 在生产工况中，我们往往又会碰到另外一个问题：如何真正实现从电机到直流母线、再从直流母线到交流电网的能量回馈呢？由于通用变频器一般采用不可控整流桥，因此必须采取其他的控制方式来实现。 4.1 工作原理 要实现直流回路与电源间的双向能量传递，一种最有效的办法就是采用有源逆变技术：即将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。图四所示为回馈电网制动原理图，它采用了电流追踪型PWM整流器，这样就容易实现功率的双向流动，且具有很快的动态响应速度。同时，这样的拓扑结构使得我们能够完<