ot;left" sty  摘 要:本文簡(jiǎn)要介紹了交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理,著重闡述了采用變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)電氣制動(dòng)的幾種方法與制動(dòng)原理,指出了各種制動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及其適應(yīng)場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞:變頻器 異步電機(jī)運(yùn)行原理 制動(dòng)方法

1 引言

在通用變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)中,當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速或者拖動(dòng)位能負(fù)載下放時(shí),電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度將高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度。為了使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際速度與給定速度相符,就必須采取制動(dòng)措施。異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法有再生發(fā)電制動(dòng)、直流制動(dòng)和機(jī)械抱閘制動(dòng)。而機(jī)械抱閘制動(dòng)直觀,這里不做介紹,只介紹前面兩種電氣制動(dòng)方法。為了便于介紹電氣制動(dòng)的原理與方法,首先回顧一下,異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理。

2 異步電機(jī)運(yùn)行原理

眾所周知,異步電動(dòng)機(jī)的定子上裝有一套在空間上對(duì)稱分布的三相繞組AX、BY、CZ如圖1所示。當(dāng)給這三相繞組通以交流電時(shí),則在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。此磁場(chǎng)在任何瞬間都是三相繞組各磁場(chǎng)的總和。通過(guò)右手定則對(duì)圖1中不同瞬間電流與磁場(chǎng)方向的關(guān)系可知,合成磁場(chǎng)FΣ的方向與電流為最大值那一相繞組的軸線方向一致。因此隨著電流最大值依次由A相→B相→C相→A相等順序變化,合成磁場(chǎng)的方向也依次指向A相→B相→C相→A相等各相繞組的軸線方向。這就是說(shuō),這個(gè)合成磁場(chǎng)是一個(gè)“旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)”。其旋轉(zhuǎn)速度n0(同步轉(zhuǎn)速)與交流電源頻率成正比,而與磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)成反比。

圖1旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)形成

由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁場(chǎng)磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),這個(gè)感應(yīng)電勢(shì)使閉合的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生電流,通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中又受到一個(gè)力的作用,這個(gè)作用在導(dǎo)體上的力,將使異步電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn),其某一瞬間情況如圖2所示。根據(jù)右手定則可知轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體電流的方向。再根據(jù)左手定則可知轉(zhuǎn)子導(dǎo)體受力方向。此作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩XTD將克服阻力矩Mfz,使電機(jī)加速到電動(dòng)力矩等于阻力矩為止。

圖2 旋轉(zhuǎn)力矩形成

3 電氣制動(dòng)的方法與原理

采用通用變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)電氣制動(dòng)有直流制動(dòng)與再生發(fā)電制動(dòng)(能耗制動(dòng))兩種。現(xiàn)就這兩種制動(dòng)方法與制動(dòng)原理分述如下。

3.1直流制動(dòng)

直流制動(dòng)是使變頻器向異步電動(dòng)機(jī)的定子任意兩相通以直流電,異步電動(dòng)機(jī)便處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。這種情況下變頻器的輸出頻率為零,異步電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)不再旋轉(zhuǎn)。直流制動(dòng)主要用于準(zhǔn)確停車與防止起動(dòng)前電動(dòng)機(jī)由于外因引起的不規(guī)則自由旋轉(zhuǎn)(如風(fēng)機(jī)類負(fù)載)。當(dāng)直流制動(dòng)用于準(zhǔn)確停車時(shí),一般都應(yīng)先進(jìn)行再生發(fā)電制動(dòng),在電動(dòng)機(jī)減速到較低時(shí),進(jìn)行直流制動(dòng)。這是因?yàn)楦咚贂r(shí)進(jìn)行直流制動(dòng),異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流的頻率與幅值都很高,轉(zhuǎn)子鐵損很大,導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重,但得到的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻并不太大,另一方面準(zhǔn)確停車也較難保證,而采用先再生發(fā)電制動(dòng),等降頻到fDB再進(jìn)行直流制動(dòng),只要合理調(diào)整fDB、制動(dòng)時(shí)間tDB、制動(dòng)直流電壓UDB就可確保準(zhǔn)確停車。轉(zhuǎn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)子切割這個(gè)靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,如圖3所示。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗于異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中。圖3的(a)與(b)還說(shuō)明這種制動(dòng)與通入直流電的極性無(wú)關(guān)。

圖3 直流制動(dòng)原理

3.2再生發(fā)電制動(dòng)

當(dāng)給定頻率降低時(shí),定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度降低或位能負(fù)載下放倒拉。此時(shí)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度將超過(guò)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度,因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電勢(shì)反向,電流反向,電動(dòng)轉(zhuǎn)矩反向,如圖4,電動(dòng)轉(zhuǎn)矩(與阻力矩同向)起制動(dòng)作用,使電動(dòng)機(jī)減速。此時(shí)的異步電動(dòng)機(jī)相當(dāng)于一臺(tái)異步發(fā)電機(jī),將旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能或重物下放的位能轉(zhuǎn)換成電能。這部分電能如果不進(jìn)行處理,將引起直流側(cè)過(guò)壓,而引起故障跳閘或損壞變頻器,因此必須處理好這部分電能。其處理方法一般有如下三種:

圖4 發(fā)電狀態(tài)

(1)動(dòng)力制動(dòng)

這種方法就是通過(guò)與直流回路濾波電容并聯(lián)的放電電阻,將這部分電能消耗掉,因此也稱再生能耗制動(dòng),如圖5所示,圖5中虛線框內(nèi)為制動(dòng)單元(PW),它包括內(nèi)部制動(dòng)電阻RB,制動(dòng)用的晶體管VB等,VB的通斷是通過(guò)檢測(cè)直流電壓大、小來(lái)控制。實(shí)際上電阻中的電流是間歇的,所以西門(mén)子公司資料稱“脈沖電阻”(PulsedResistor)。此單元實(shí)際上只起消耗電能防止直流側(cè)過(guò)電壓的作用。它并不起制動(dòng)作用,但人們習(xí)慣稱此單元為制動(dòng)單元。要提高制動(dòng)的快速性,就要快速消耗掉這部分電能,可以在圖5中H,G兩點(diǎn)間外接制動(dòng)電阻REB,REB阻值與功率應(yīng)符合產(chǎn)品樣本要求。

圖5 動(dòng)力制動(dòng)

(2)再生制動(dòng)

這種方法就是通過(guò)與整流器反并聯(lián)的回饋單元,將這部分電能回饋給電網(wǎng)如圖6所示,這種情況整流單元也必須采用晶閘管整流元件,一般采用邏輯無(wú)環(huán)流工作方式。回饋單元與電網(wǎng)之間應(yīng)串接一臺(tái)自耦變壓器,此種制動(dòng)方法雖然可以把旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲(chǔ)的能量回饋給電網(wǎng),但對(duì)供電電網(wǎng)的要求比較高;一是電網(wǎng)電壓波動(dòng)要小,且必須可靠;二是電網(wǎng)短路容量要大,否則在回饋期間,電源電壓偏低或電源被切斷,有源逆變器就會(huì)迅速直通,引起換流失敗,燒壞快速熔斷器及晶閘管元件。因此,對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大(如帶有電爐負(fù)載的電網(wǎng)),或采用接觸式供電(如行車、機(jī)車車輛)的場(chǎng)合以采用動(dòng)力制動(dòng)為好,雖然浪費(fèi)了一點(diǎn)電能,但可靠性大大提高。圖6 回饋單元

(3)直流公共母線

所謂直流公共母線是用一臺(tái)整流器給多臺(tái)逆變器供電如圖7所示,它利用工作在電動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)吸收工作在發(fā)電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)的電能,但當(dāng)發(fā)電狀態(tài)多于電動(dòng)狀態(tài)時(shí),吸收能力不足仍將引起直流過(guò)電壓,因此還需要有前面兩種方法之一(如圖7中虛線框所示)做后備吸收才較完美。

圖7 直流公共母線

4 結(jié)束語(yǔ)

通用型變頻器在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)中已得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。為了滿足生產(chǎn)機(jī)械快速制動(dòng)與準(zhǔn)確停車等方面的要求,必須對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行制動(dòng),而機(jī)械抱閘閘皮容易磨損,維護(hù)工作量大,而且浪費(fèi)電能,因此一般是先進(jìn)行電氣制動(dòng),最后才進(jìn)行機(jī)械抱閘以達(dá)到準(zhǔn)確停車的目的。因此本文以交流異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理為基礎(chǔ),著重介紹了采用變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)的幾種方法與原理,指出了各種制動(dòng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適應(yīng)場(chǎng)合,以供從事這方面工作的人員參考。