变频调速器中的制动电阻的工作原理

来源:Autrou.com    作者:奥创电子   日期:2021-09-07

调速变频器在实际工作中,往往是不间断的频繁的来改变电机运转速度,启动和停机,这样的工作环境使得该工作电路的电流是不断变化和出现逆流电压,如果不加以做出合理的电路设计,往往会对控制设备起到不可逆转的损害!
由于变频调速具有调速的平滑性、范围大、启动电流小等优势,近年来在电动机调速中的得到了广泛应用。在生产中,诸如引风机这类惯性较大的设备,快速降频或停机,会导致变频器过电压保护动作,造成设备频繁停机,本文将从三相异步电动机和变频器的工作原理出发,简述制动电阻在此类工业环境中的应用。
 1 三相异步电动机的调速原理
 三相异步电动机通入三相交流电,产生旋转磁场,旋转磁场切割转子闭合导体产生感应电流,转子电流与定子磁场相互作用产生电磁力,带动转子旋转。我们定义同步转速是指旋转磁场的速度,用n0表示;转子输出转速为n;同步转速与转子转速的差值与磁场同步转速之比,称为转差率s,f为电源频率,p为电机极对数。
 同步转速:n0=60f/p,转差率:s=(n0-n)/n0,电动机转速:n=60f/p(1-s)
 由上式可知,改变电源频率、极对数及转差率均可达到改变电机转速的目的。然而在实际中,普通电机一经出厂,极对数及转差率即固定不变,实现无级调速,只能改变电源的频率。
 1 变频器结构原理
1.1 变频器由主电路和控制电路组成
主电路是电源频率变换部分,主要由三部分组成。包括将工频变换为直流功率的“整流器”、吸收电压脉动的“滤波回路”、以及将直流变换为交流的“逆变器”。控制电路是给主电路提供控制信号的回路,它包括运算、检测、速度检测、驱动、保护等电路组成。
 1.2 重点介绍变频器的主回路工作原理
 1.2.1 整流电路 VD1-VD6组成三相桥式全波整流电路。
 1.2.1 滤波电路。整流后的电压为脉动电压,滤波电容Cl起滤波作用。由于储能电容较大,接入电源时电容两端电压为0,因而在上电瞬间滤波电容Cl的充电电流很大,过大的电流会损坏整流管,为限制充电电流在整流桥上电瞬间串入充电电阻Rs,当Cl充电到一定程度时由旁路开关Ks将Rs短路。
 1.2.3 逆变电路。V1-V6组成的逆变桥将直流电逆变成频率、幅值都可调的交流电。续流二极管D1-D6为无功电流返回到直流电源提供通道;当电机处于制动状态时,再生电能通过D1-D6返回直流回路;V1-V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管交替导通和截止,在换相过程中也需要D1-D6提供通路。
 1.2.4 储能、制动电路。由于逆变管V1-V6每次由导通切换到截止状态的瞬间,C极和E极间的电压由近乎0V上升到直流电压值UD,过高的电压可能损坏逆变管,储能电容C1、C2的作用便是降低V1-V6关断时的电压增长率;电机在减速时转子的转速可能超过此时的同步转速而处于发电状态,系统的动能将回馈到母线上致电压升高,甚至可能损坏变频器,制动电阻Rb就是用来消耗这部分能量的。
2. 电动机的调速原理
 三相异步电动机通入三相交流电,产生旋转磁场,旋转磁场切割转子闭合导体产生感应电流,转子电流与定子磁场相互作用产生电磁力,带动转子旋转。我们定义同步转速是指旋转磁场的速度,用n0表示;转子输出转速为n;同步转速与转子转速的差值与磁场同步转速之比,称为转差率s,f为电源频率,p为电机极对数。
 同步转速:n0=60f/p,转差率:s=(n0-n)/n0,电动机转速:n=60f/p(1-s)
 由上式可知,改变电源频率、极对数及转差率均可达到改变电机转速的目的。然而在实际中,普通电机一经出厂,极对数及转差率即固定不变,实现无级调速,只能改变电源的频率。
 3 电机回馈能量的产生及变频器制动单元的作用
 在引风机变频调速中,当工艺要求实现电机快速减速和停机时候,电机的同步转速随着变频器输出频率随之下降,但由于此类负载惯性较大,电机的转子转速并不能随之马上降低。当同步转速小于转子转速时,输出到电机轴的转矩变成了制动转矩,使电机的转速下降,此时电机变成发电状态,再生电能回馈到直流电路。由于直流电路的电能无法回馈到电网,仅靠变频器内部功率有限的电阻吸收是不够的,电荷堆积使电压不断上升,过高的电压将损坏内部元件。为保证变频器安全,内部的过压保护会动作,造成变频器停机。维持在此类工业环境中变频器稳定运行,必须将电动机发电制动状中回馈的电能消耗掉。
 通过在变频器直流母线上加装制动电阻单元,将再生电能以热能形式消耗掉来实现转速快速降低或停车。它包括制动单元和制动电阻两部分。制动单元的功能是当直流回路的电压UD超过规定的限值时接通制动电阻,使电能通过电阻以热能方式释放。制动电阻单元可分内置式和外置式两种。前者是适用于小功率的通用变频器,即图1中虚线框所示部分;由于变频器内部空间狭小,散热条件有限等原因,后者则是适用于较大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。
 当工况变化时,电机处于发电状态运行,能量反馈回直流回路,使母线电压升高达到制动单元导通值时,电流流过制动电阻以热能形式消耗,电机的转速降低,母线电压也降低;当母线电压降至制动单元要关断的值,制动单元的功率管截止,制动电阻无电流流过;制动单元通过不断重复导通和关断过程,平衡母线电压,保证系统正常运行。
 4 制动电阻单元在生产中的应用
 某煤化工厂,闪蒸汽回收需要用到两台引风机,配置两台18.5kW变频电机,通过两台变频器控制转速。在使用中,由于入口压力不稳定,为保证生产稳定,变频器输出频率处于一个较宽的变化范围,经常需要快速降频,由于该变频器容量较大,且属于惯性负载,变频器的迅速降频,导致变频器直流母线极短时间内形成泵升电压超允许值,保护动作,变频器频繁停机,无法保证稳定运行,给生产带来严了重影响。通过加装制动单元和制动电阻后,解决了这一生产难题。
 通过加装制动电阻单元,使回馈电能以热能的形式消耗在制动电阻上,从而解决了变频器在驱动较大惯性负载,迅速降频或快速停车导致的保护动作给生产带来的不稳定。使变频调速更为广泛的应用到工业生产中。
 以上技术信息为奥创电子内部文件,仅供学习和参考,不做为实际生产指导标准,请您留意!
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