船用大功率永磁同步電動機變頻器制動電阻的設計

遲立鑫

（南通工貿技師學院，江蘇 南通226010）

0 引言

永磁同步電機出現于20世紀50年代[1]，其運行原理與普通電激磁同步電機相同，但以永磁體激磁代替激磁繞組激磁，使電機結構更為簡單，降低了加工裝配費用，同時還省去容易出問題的集電環和電刷，提高了電機運行的可靠性。由于無需激磁電流，沒有激磁損耗，提高了電機的效率和功率密度。因此，近年來，大功率永磁同步電動機越來越廣泛地應用于船舶電力推進系統。文章基于煙大輪渡船用電力推進系統開展研究。

1 船用電壓型交直交變頻調速裝置

電推系統的核心，即變頻器，煙大輪渡所用變頻器為ABB公司的型號為ACS600M的低壓大功率水冷式變頻器，額定電壓為690V，額定功率為5140kVA，額定電流4272A。它采用目前最先進的直接轉矩控制技術（DTC），計算精度和控制精度都非常高，快速性好，轉矩特性好。

1.1 變頻器的種類

根據能量變換的形式不同，電力變換裝置可以分為直接變換裝置和間接變換裝置兩類：

直接變換裝置通常稱為直接變頻器、交-交變頻器或循環變頻器。它直接把電源頻率的交流電變換為較低頻率的交流電。在電路結構上，它由接到同一交流電源上的若干個相控整流器組成。按照一定的規律控制各相控整流器的控制角，使整流器工作在直流或有源逆變狀態，在循環變頻器的輸出端就可以得到由多相直流波的保絡線所組成的較低頻率的交流電。

間接變換裝置是先把電源頻率的交流電整流為直流，經過中間直流電路（又稱中間直流環節）以后，在逆變(無源電源)為頻率可調的交流電。中間直流電路的變流器（整流器和逆變器）必須能夠在互不干擾的情況下工作，故中間直流電路要有大電容或大電感作為儲能元件。在直接直流電路的正、負兩端是并聯大電容作為儲能元件的，它能大大降低電源側的阻抗，從而可以看成是一個電壓源。通常把這種電力變換裝置稱為電壓型逆變器。在中間直流電路中串接大電抗器作為儲能元件的，能大大增加電源側的阻抗，從而可以看成是一個電流源。通常把這種電力變換裝置稱為電流型逆變器。

1.2 煙大輪渡變頻器的基本構成

煙大輪渡的變頻器的基本構成如下圖1所示，它由整流、濾波、逆變及控制回路等部分組成。交流電源經整流、濾波后變成直流電源，控制回路有規則的控制逆變器的導通和截止，使之向電機輸出電壓和頻率可變的電源，驅動電動機運行。

2 制動電阻

2.1 制動電阻的功能

船舶在電阻制動時，制動電阻與牽引電機電樞構成回路，這時，電動機作為發電機運行，所發電在制動電阻上產生大量的熱。同時，轉子中由于該電流的流通，在磁場的作用下產生于原動機方向相反的電磁力矩，阻止轉子的轉動，從而對船舶產生制動力矩，船舶采用電阻制動能使船舶快速制動，提高船舶的安全性[2]。

電動機在工作頻率下降的過程中，其轉子的轉速會超過此時的同步轉速，處于再生（回饋）制動狀態，拖動系統動能要反饋到直流電路中，但直流電路的能量無法回饋給交流電網，只能由電容器組吸收，使直流電壓UD不斷上升（稱為“泵升電壓”），升高到一定程度，就會對變流器件造成損害。為此，在電容器組旁并聯一個由制動電阻（制動單元）和IGBT相串聯的電路。當再生電能經逆變器的續流二極管反饋到直流電路時，將使電容器的電壓升高，觸發導通與制動電阻相串聯的功率開關，讓電容放電電流流過制動電阻，再生電能就會消耗在電阻上，達到制動和降低中間直流電壓的目的。

圖1 煙大輪渡變頻器基本構成

在變頻調速系統中，減速的方法是通過逐步降低給定頻率來實現的。在頻率下降過程中，電動機將處于再生制動狀態(發電機狀態)，使得電動機的轉速迅速地隨頻率的下降而下降。在制動過程中，泵升電壓的產生會導致直流母線上的電壓升高，此時變頻器會控制剎車單元通過剎車電阻把升高的電壓以熱能的方式消耗掉。為了使得系統平穩降速,需要設置適當的減速時間，同時選擇合適的制動電阻和制動單元。

制動電阻用于擴展制動功率。當制動單元內部電阻的制動功率不夠時，需要制動單元外接制動電阻，此時注意，制動單元內部的點左右不能與外部的電阻同時使用，小容量變頻器一般都有內接制動電阻和制動單元。只要制動單元內部的電阻滿足負載要求的制動功率，就不需要選用外部自動電阻。但是為了控制，保護和監控外部的制動電阻，必須選用同等功率的制動單元與外部制動電阻匹配。

如果制動單元/制動電阻選擇的功率不夠，制動單元會自動關閉，變頻器因“直流過高”的故障而停機。此時需要擴大制動功率，可以通過并聯制動單元（加制動電阻）來實現，但每個制動電阻必須帶自己的制動單元。并聯后在快速制動時仍然容易出現過電壓，說明內接制動電阻的阻值太大（或者被燒毀），來不及放電（或者沒有放電回路），則可另行選擇外接制動電阻。

2.2 驅動電路

2.2.1 驅動電路設計

如圖2電路所示，圖中VD5～VD8上的電壓降為IGBT提供反向偏置。工作過程是，當光耦VL得到信號而導通時，則V1導通且飽和，V2隨即導通，V3截止，使IGBT導通，即有制動電流流經RB；當VL失去信號而截止時，V1截止，隨即V2截止，V3導通，IGBT因反向偏壓而截止，這樣多次翻身將動能變電能，消耗在制動電阻RB上，以發熱方式損耗。

圖2 驅動電路

2.2.2 工作信號的取出

如圖3所示，信號由測量直流母線電容兩端電壓得到，當UD超上限值931V時，比較器的輸出為“+”，則光耦VL輸出信號電流，再推動驅動電器，實現能耗制動工作狀態；當UD低于下限值931V時，比較器的輸出為“-”，則光耦VL輸出無電流，這時驅動電路不工作，處于不制動工作狀態。

圖3 信號取出電路

3 結語

本文為船舶制動電阻的設計研究做了一定的工作，對船舶制動電阻的設計開發有一定的借鑒意義。

［1］楊文雷，蔣廷彪.基于DSP的永磁同步電機速度與位置計算方法[J].信息通信，2011（3）：7-8.

［2］張洋，吳旖.用于船舶綜合電力推進的同步發電機電磁設計[J].電工技術學報，2013，28（10）：67-74.