制動電阻在變頻調速中的應用

（中煤龍化哈爾濱煤化工有限公司 黑龍江 哈爾濱 154854）

由于變頻調速具有調速的平滑性、范圍大、啟動電流小等優勢，近年來在電動機調速中的得到了廣泛應用。在生產中，諸如引風機這類慣性較大的設備，快速降頻或停機，會導致變頻器過電壓保護動作，造成設備頻繁停機，本文將從三相異步電動機和變頻器的工作原理出發，簡述制動電阻在此類工業環境中的應用。

1 三相異步電動機的調速原理

三相異步電動機通入三相交流電，產生旋轉磁場，旋轉磁場切割轉子閉合導體產生感應電流，轉子電流與定子磁場相互作用產生電磁力，帶動轉子旋轉。我們定義同步轉速是指旋轉磁場的速度，用n0表示；轉子輸出轉速為n；同步轉速與轉子轉速的差值與磁場同步轉速之比，稱為轉差率s，f為電源頻率，p為電機極對數。

同步轉速：n0＝60f/p，轉差率：s=(n0-n)/n0，電動機轉速：n=60f/p(1-s)

由上式可知，改變電源頻率、極對數及轉差率均可達到改變電機轉速的目的。然而在實際中，普通電機一經出廠，極對數及轉差率即固定不變，實現無級調速，只能改變電源的頻率。

2 變頻器結構原理

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”、吸收電壓脈動的“濾波回路”、以及將直流變換為交流的“逆變器”。控制電路是給主電路提供控制信號的回路，它包括運算、檢測、速度檢測、驅動、保護等電路組成。

2.2 重點介紹變頻器的主回路工作原理

圖1 變頻器主回路原理圖

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電壓，濾波電容Cl起濾波作用。由于儲能電容較大，接入電源時電容兩端電壓為0，因而在上電瞬間濾波電容Cl的充電電流很大，過大的電流會損壞整流管，為限制充電電流在整流橋上電瞬間串入充電電阻Rs，當Cl充電到一定程度時由旁路開關Ks將Rs短路。

2.2.3 逆變電路。V1-V6組成的逆變橋將直流電逆變成頻率、幅值都可調的交流電。續流二極管D1-D6為無功電流返回到直流電源提供通道；當電機處于制動狀態時，再生電能通過D1-D6返回直流回路；V1-V6進行逆變過程是同一橋臂兩個逆變管交替導通和截止，在換相過程中也需要D1-D6提供通路。

2.2.4 儲能、制動電路。由于逆變管V1-V6每次由導通切換到截止狀態的瞬間，C極和E極間的電壓由近乎0V上升到直流電壓值UD，過高的電壓可能損壞逆變管，儲能電容C1、C2的作用便是降低V1-V6關斷時的電壓增長率；電機在減速時轉子的轉速可能超過此時的同步轉速而處于發電狀態，系統的動能將回饋到母線上致電壓升高，甚至可能損壞變頻器，制動電阻Rb就是用來消耗這部分能量的。

3 電機回饋能量的產生及變頻器制動單元的作用

在引風機變頻調速中，當工藝要求實現電機快速減速和停機時候，電機的同步轉速隨著變頻器輸出頻率隨之下降，但由于此類負載慣性較大，電機的轉子轉速并不能隨之馬上降低。當同步轉速小于轉子轉速時，輸出到電機軸的轉矩變成了制動轉矩，使電機的轉速下降，此時電機變成發電狀態，再生電能回饋到直流電路。由于直流電路的電能無法回饋到電網，僅靠變頻器內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，過高的電壓將損壞內部元件。為保證變頻器安全，內部的過壓保護會動作，造成變頻器停機。維持在此類工業環境中變頻器穩定運行，必須將電動機發電制動狀中回饋的電能消耗掉。

通過在變頻器直流母線上加裝制動電阻單元，將再生電能以熱能形式消耗掉來實現轉速快速降低或停車。它包括制動單元和制動電阻兩部分。制動單元的功能是當直流回路的電壓UD超過規定的限值時接通制動電阻，使電能通過電阻以熱能方式釋放。制動電阻單元可分內置式和外置式兩種。前者是適用于小功率的通用變頻器，即圖1中虛線框所示部分；由于變頻器內部空間狹小，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制動有特殊要求的工況中。

當工況變化時，電機處于發電狀態運行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高達到制動單元導通值時，電流流過制動電阻以熱能形式消耗，電機的轉速降低，母線電壓也降低；當母線電壓降至制動單元要關斷的值，制動單元的功率管截止，制動電阻無電流流過；制動單元通過不斷重復導通和關斷過程，平衡母線電壓，保證系統正常運行。

4 制動電阻單元在生產中的應用

某煤化工廠，閃蒸汽回收需要用到兩臺引風機，配置兩臺18.5kW變頻電機，通過兩臺變頻器控制轉速。在使用中，由于入口壓力不穩定，為保證生產穩定，變頻器輸出頻率處于一個較寬的變化范圍，經常需要快速降頻，由于該變頻器容量較大，且屬于慣性負載，變頻器的迅速降頻，導致變頻器直流母線極短時間內形成泵升電壓超允許值，保護動作，變頻器頻繁停機，無法保證穩定運行，給生產帶來嚴了重影響。通過加裝制動單元和制動電阻后，解決了這一生產難題。

圖2 制動電阻的連接原理圖

如圖2，通過加裝制動電阻單元，使回饋電能以熱能的形式消耗在制動電阻上，從而解決了變頻器在驅動較大慣性負載，迅速降頻或快速停車導致的保護動作給生產帶來的不穩定。使變頻調速更為廣泛的應用到工業生產中。

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