1  引言
在通用變頻器、異步電念頭和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當(dāng)電念頭所傳動(dòng)的位能負(fù)載下放時(shí)，電念頭將處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài);或當(dāng)電念頭從高速到低速(含泊車(chē))減速時(shí)，頻率可以突減，但因電機(jī)的機(jī)械慣性，電機(jī)可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)電念頭轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)逆變器的6個(gè)續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)。這時(shí)，假如變頻器中沒(méi)采取消耗能量的措施，這部門(mén)能量將導(dǎo)致中間回路的儲(chǔ)能電容器的電壓上升。假如當(dāng)制動(dòng)過(guò)快或機(jī)械負(fù)載為晉升機(jī)類時(shí)，這部門(mén)能量就可能對(duì)變頻器帶來(lái)?yè)p壞，所以這部門(mén)能量我們就應(yīng)該考慮。
在通用變頻器中，對(duì)再生能量最常用的處理方式有2種:(1)耗散到直流回路中人為設(shè)置的與電容器并聯(lián)的“制動(dòng)電阻”中，稱之為能耗制動(dòng)狀態(tài);(2)使之回饋到電網(wǎng)，則稱之為回饋制動(dòng)狀態(tài)(又稱再生制動(dòng)狀態(tài))。還有一種制動(dòng)方式，即直流制動(dòng)，可以用于要求正確泊車(chē)的情況或起動(dòng)前制動(dòng)電機(jī)因?yàn)橥饨缫蛩匾鸬牟灰?guī)則旋轉(zhuǎn)。
在書(shū)籍、刊物上有很多專家談?wù)撨^(guò)有關(guān)變頻器制動(dòng)方面的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，尤其是近些時(shí)間有過(guò)很多關(guān)于“能量回饋制動(dòng)”方面的文章。今天，筆者提供一種新型的制動(dòng)方法，它具有“回饋制動(dòng)”的四象限運(yùn)轉(zhuǎn)、運(yùn)行效率高等長(zhǎng)處，也具有“能耗制動(dòng)”對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染、可靠性高等好處。

2  能耗制動(dòng)
利用設(shè)置在直流回路中的制動(dòng)電阻吸收電機(jī)的再生電能的方式稱為能耗制動(dòng)，如圖1所示。

圖1 能耗制作原理圖
其長(zhǎng)處是構(gòu)造簡(jiǎn)樸;對(duì)電網(wǎng)無(wú)污染(與回饋制動(dòng)作比較)，本錢(qián)低廉;缺點(diǎn)是運(yùn)行效率低，特別是在頻繁制動(dòng)時(shí)將要消耗大量的能量，且制動(dòng)電阻的容量將增大。
一般在通用變頻器中，小功率變頻器(22kW以下)內(nèi)置有了剎車(chē)單元，只需外加剎車(chē)電阻。大功率變頻器(22kW以上)就需外置剎車(chē)單元、剎車(chē)電阻。

3  回饋制動(dòng)
實(shí)現(xiàn)能量回饋制動(dòng)就要求電壓同頻同相位控制、回饋電流控制等前提。它是采用有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)如圖2所示。

圖2 回饋電網(wǎng)制作原理圖

回饋制動(dòng)的長(zhǎng)處是能實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行,如圖3所示，電能回饋進(jìn)步了系統(tǒng)的效率。其缺點(diǎn)是:(1)只有在不易發(fā)生故障的不亂電網(wǎng)電壓下(電網(wǎng)電壓波動(dòng)不大于10%)，才可以采用這種回饋制動(dòng)方式。由于在發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓故障時(shí)間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。(2)在回饋時(shí)，對(duì)電網(wǎng)有諧波污染。(3)控制復(fù)雜，本錢(qián)較高。
 

圖3 四象限運(yùn)動(dòng)圖

4  新型制動(dòng)方式(電容反饋制動(dòng))
4.1 主回路原理
主回路原理圖如圖4所示。
整流部門(mén)采用普通的不可控整流橋進(jìn)行整流(如圖中的VD1—VD6組成)，濾波回路采用通用的電解電容(C1、C2)，延時(shí)回路采用接觸器或可控硅都行(Ｔ1)。充電、反饋回路由功率模塊IGBT(VT1、VT2)、充電、反饋電抗器L及大電解電容Ｃ(容量約零點(diǎn)幾法拉，可根據(jù)變頻器所在的工況系統(tǒng)決定)組成。逆變部門(mén)由功率模塊IGBT組成(VT5-VT10)。保護(hù)回路由IGBT、功率電阻組成。
(1) 電念頭發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)
CPU對(duì)輸入的交流電壓和直流回路電壓Ud的實(shí)時(shí)監(jiān)控，決定向VT1是否發(fā)出充電信號(hào)，一旦Ud比輸入交流電壓所對(duì)應(yīng)的直流電壓值(如380VAC-530VDC)高到一定值時(shí)，CPU關(guān)斷VT3，通過(guò)對(duì)VT1的脈沖導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)對(duì)電解電容C的充電過(guò)程。此時(shí)的電抗器L與電解電容C分壓，從而確保電解電容C工作在安全范圍內(nèi)。當(dāng)電解電容C上的電壓快到危險(xiǎn)值(好比說(shuō)370V)，而系統(tǒng)仍處于發(fā)電狀態(tài)，電能不斷通過(guò)逆變部門(mén)回送到直流回路中時(shí)，安全回路施展作用，實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)(電阻制動(dòng))，控制VT3的關(guān)斷與開(kāi)通，從而實(shí)現(xiàn)電阻R消耗多余的能量，一般這種情況是不會(huì)泛起的。
(2) 電念頭電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)
當(dāng)CPU發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不再充電時(shí)，則對(duì)VT3進(jìn)行脈沖導(dǎo)通，使得在電抗器L上行成了一個(gè)瞬時(shí)左正右負(fù)的電壓(如圖4標(biāo)出)，再加上電解電容C上的電壓就能實(shí)現(xiàn)從電容到直流回路的能量反饋過(guò)程。CPU通過(guò)對(duì)電解電容C上的電壓和直流回路的電壓的檢測(cè)，控制VT3的開(kāi)關(guān)頻率以及占空比,從而控制反饋電流，確保直流回路電壓Ud不泛起過(guò)高。
4.2系統(tǒng)難點(diǎn)
(1) 電抗器的選取

圖4 電容反饋制動(dòng)主回路原理圖

(a) 我們考慮到工況的特殊性，假設(shè)系統(tǒng)泛起某種故障，導(dǎo)致電機(jī)所載的位能負(fù)載自由加速著落，這時(shí)電機(jī)處于一種發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，再生能量通過(guò)6個(gè)續(xù)流二極管回送至直流回路，致使 升高，很快使變頻器處于充電狀態(tài)，這時(shí)的電流會(huì)很大。所以所選取電抗器線徑要大到能通過(guò)此時(shí)的電流。
(b) 在反饋回路中，為了使電解電容在下次充電前把盡可能多的電能開(kāi)釋出來(lái)，選取普通的鐵芯(硅鋼片)是不能達(dá)到目的的，最好選用鐵氧體材料制成的鐵芯，再看看上述考慮的電流值如斯大，可見(jiàn)這個(gè)鐵芯有多大，素不知市道市情上有無(wú)這么大的鐵氧體鐵芯，即使有，其價(jià)格也肯定不會(huì)很低。
所以筆者建議充電、反饋回路各采用一個(gè)電抗器。

2) 控制上的難點(diǎn)
(a) 變頻器的直流回路中，電壓U4一般都高于500VDC，而電解電容Ｃ的耐壓才400VDC，可見(jiàn)這種充電過(guò)程的控制就不像能量制動(dòng)(電阻制動(dòng))的控制方式了。其在電抗器上所產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓降為電解電容Ｃ的瞬時(shí)充電電壓為U4=UC-UL為了確保電解電容工作在安全范圍內(nèi)(≤400V)，就得有效的控制電抗器上的電壓降UL而電壓降UL又取決于電感量和電流的瞬時(shí)變化率。

(b) 在反饋過(guò)程中，還得防止電解電容Ｃ所放的電能通過(guò)電抗器造成直流回路電壓過(guò)高，以致系統(tǒng)泛起過(guò)壓保護(hù)。4.3 主要應(yīng)用場(chǎng)合及應(yīng)用實(shí)例
恰是因?yàn)樽冾l器的這種新型制動(dòng)方式(電容反饋制動(dòng))所具有的優(yōu)勝性，近些來(lái)，不少用戶結(jié)合其設(shè)備的特點(diǎn)，紛紛提出了要配備這種系統(tǒng)。因?yàn)榧夹g(shù)上有一定的難度，國(guó)外還不知有無(wú)此制動(dòng)方式？海內(nèi)目前只有山春風(fēng)光電子公司由以前采用回饋制動(dòng)方式的變頻器(仍有2臺(tái)在正常運(yùn)行中)改用了這種電容反饋制動(dòng)方式的新型礦用晉升機(jī)系列，到目前為止，這種電容反饋制動(dòng)的變頻器正長(zhǎng)期正常運(yùn)行在山東寧陽(yáng)保安煤礦及山西太原等地，填補(bǔ)了海內(nèi)這一空缺。