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變頻調(diào)速器供電的異步電動(dòng)機(jī)電氣制動(dòng)方法與原理

時(shí)間:2017-03-06 11:13 來(lái)源:未知 作者:admin

文章摘要：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

　　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。
 
　　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。
 
　　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。
 
　　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�，F(xiàn)就這兩種制動(dòng)方法與制動(dòng)原理分述如下。
 
　　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。
 
　　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：
 
　　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，所以西門子公司資料稱"脈沖電阻"（pulsed resistor）。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。
　　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�；仞亞卧c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。
 
　　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。
　　
 
　　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
 
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