李方園（1973-）

　　男，浙江舟山人，畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

　　摘要：在本節中，主要闡述的是變頻器的制動設計，闡述了能耗制動、回饋到共用直流母線方式的制動、回饋到交流電網的制動共3種典型制動方式的工作原理，以及應用范圍和優缺點。

　　關鍵詞：變頻器；制動；能量反饋；共直流母線

　　Abstract: This chapter will describe the brake design of AC inverter system. Energy consuming brake,the brake of the feedback to common dc bus and the brake of the feedback to ac power are the three typies. The disadvatages ,the advatages and the ranges of the application are also discussed here.

　　Key words: AC inverter; brake; energy feedback; common dc bus

　　在本節中，主要闡述的是變頻器的制動設計，闡述了能耗制動、回饋到共用直流母線方式的制動、回饋到交流電網的制動共3種典型制動方式的工作原理，以及應用范圍和優缺點。

　　1 制動的基本概念

　　1.1 制動問題的提出

　　通用變頻器大都為電壓型交-直-交變頻器，從第一章的基本結構圖中可以知道三相交流電首先通過二極管不控整流橋得到脈動直流電，再經電解電容濾波穩壓，最后經無源逆變輸出電壓、頻率可調的交流電給電動機供電。這類變頻器功率因數高、效率高、精度高、調速范圍寬，所以在工業中獲得廣泛應用。

　　一般而言，負載的能量可以分為動能和勢能兩種。動能（由負載的速度和重量確定其大小）隨著物體的運動而累積，當動能減為零時，該事物就處在停止狀態。機械抱閘裝置的方法是用制動裝置把物體動能轉換為摩擦和能消耗掉。對于變頻器，如果輸出頻率降低，電機轉速將跟隨頻率同樣降低，這時會產生制動過程，由制動產生的功率將返回到變頻器側，由于二極管不控整流器能量傳輸不可逆，產生的再生電能傳輸到直流側濾波電容上，產生泵升電壓；而以GTR、IGBT為代表的全控型器件耐壓較低，過高的泵升電壓有可能損壞開關器件、電解電容，甚至會破壞電機的絕緣，從而威脅系統安全工作，這就限制了通用變頻器的應用范圍。因此，必須將這些功率消耗掉，如可以用電阻發熱消耗。在用于提升類負載時，如負載下降，能量（勢能）也要返回到變頻器（或電源）側，這種操作方法被稱作“再生制動”。

　　如果在負載減速期間或者長期被倒拖時，由電機側流到變頻器直流母線側產生的功率如果不通過熱消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側或者通過直流母線并聯的方式由其他電動狀態的電機消耗的方法叫做回饋制動。顯然，如需要將能量直接返回到電源側還需要一種特殊的裝置，即能量回饋單元。

　　總而言之，為了改善制動能力，不能單純期望靠增加變頻器的容量來解決問題，而必須采用處理再生能量的方法：電阻能耗制動和回饋制動。

　　因此，在以下應用場合，用戶必須考慮配套使用制動方式：電機拖動大慣量負載（如離心機、龍門刨、巷道車、行車的大小車等）并要求急劇減速或停車；電機拖動位能負載（如電梯，起重機，礦井提升機等）；電機經常處于被拖動狀態（如離心機副機、造紙機導紙輥電機、化纖機械牽伸機等）。以上幾類負載的共同特點，要求電機不僅運行于電動狀態（一、三象限），而且要運行于發電制動狀態（二、四象限）。

　　1.2 電阻能耗制動的工作方式

　　電阻能耗制動采用的方法就是制動單元和制動電阻二部分。

　　即通過內置或外加制動電阻的方法將電能消耗在大功率電阻器中，實現電機的四象限運行，該方法雖然簡單，但有如下嚴重缺點：

　　(1)浪費能量，降低了系統的效率。(2)電阻發熱嚴重，影響系統的其他部分正常工作。(3)簡單的能耗制動有時不能及時抑制快速制動產生的泵升電壓，限制了制動性能的提高(制動轉矩大，調速范圍寬，動態性能好)。

　　1.3 共用直流母線方式的回饋制動

　　對于頻繁啟動、制動，或是四象限運行的電機而言，如何處理制動過程不僅影響系統的動態響應，而且還有經濟效益的問題。于是，回饋制動成為人們討論的焦點，然而在目前大部分的通用變頻器還不能通過單獨的一臺變頻器來實現再生能量的情況下，如何用最簡單的辦法來實現回饋制動呢？

　　為解決以上問題，這里介紹了一種共用直流母線方式的再生能量回饋系統，通過這種方式，它可以將制動產生的再生能量進行充分利用，從而起到既節約電能又處理再生電能的功效。

　　1.3.1工作原理

　　我們知道通常意義上的異步電機多傳動包括整流橋、直流母線供電回路、若干個逆變器，其中電機需要的能量是以直流方式通過PWM逆變器輸出。在多傳動方式下，制動時感生能量就反饋到直流回路。通過直流回路，這部分反饋能量就可以消耗在其他處在電動狀態的電機上，制動要求特別高時，只需要在共用母線上并上一個共用制動單元即可。

　　圖1接線是典型的共用直流母線的制動方式，M1是處于電動狀態，M2經常處于發電狀態，三相交流電源380V接到VF1上。

圖1   共用直流母線的回饋制動方式

　　處于電動狀態的電機M1上的變頻器VF1端，而VF2則通過共用直流母線方式與VF1的母線相連。在此種方式下，VF2僅做為逆變器在使用，M2處于電動時，所需能量由交流電網通過VF1的整流橋獲得；M2處于發電時，反饋能量通過直流母線由M2的電動狀態消耗。

　　1.3.2應用范圍

　　共用直流母線的制動方式可典型應用于造紙機械、印刷機械、離心分離機以及系統驅動等。在這些應用中，有一個共同的特點：即處于發電狀態的M2的容量遠遠小于處于電動狀態的M1的容量，而且當M1的電動狀態停止時（即變頻器VF1待機），M2的發電狀態隨即轉為電動狀態。這樣，直流母線電壓就不會快速升高，系統始終處于比較穩定的狀態。

　　這里以離心機為例進行應用說明。過濾式螺旋卸料離心機，在全速下連續進料、連續卸料，自動完成進料、分離、洗滌、卸料等工序。離心機的核心是過濾型轉鼓，利用主機和副機的差轉速來控制卸料速度，并實現無人安全操作。在處理過程中，主機始終處于電動狀態，而副機則由于轉速差的作用，基本上處于發電狀態。主機和副機功率通常為22KW和5.5KW、30KW和7.5KW、45KW和11KW等4：1匹配，符合本節闡述的工作方式。為考慮到副機供電也是由主機變頻器的整流橋提供，因此必須考慮到VF1的整流橋的額定電流（不同的變頻器廠商其整流橋規格不一樣），以此來決定VF1的選型。VF2的選型必須考慮到能夠屏蔽輸入缺相功能的變頻器。應用本制動方式后，離心機不僅效率提高，而且節能效果好、運行平穩、維護簡單。

　　1.3.3制動特點

　　采用共用直流母線的制動方式，具有以下顯著的特點：

　　(1) 共用直流母線和共用制動單元，可以大大減少整流器和制動單元的重復配置，結構簡單合理，經濟可靠。

　　(2) 共用直流母線的中間直流電壓恒定，電容并聯儲能容量大；

　　(3) 各電動機工作在不同狀態下，能量回饋互補，優化了系統的動態特性；

　　(4) 提高系統功率因數，降低電網諧波電流，提高系統用電效率。

　　1.4 回饋到交流電網的制動方式

　　事實上，從變頻器內部研究和設計的方面看，應用或尋求哪一種控制策略可以使變頻驅動電機的損耗最小而效率最高？怎樣才能使生產機械儲存的能量及時高效地回饋到電網？這正是提高效率的兩個重要途徑。第一個環節是通過變頻調速技術及其優化控制技術實現"按需供能"，即在滿足生產機械速度、轉矩和動態響應要求的前提下，盡量減少變頻裝置的輸入能量;第二個環節是將由生產機械中儲存的動能或勢能轉換而來的電能及時地、高效地"回收"到電網，即通過有源逆變裝置將再生能量回饋到交流電網，一方面是節能降耗，另一方面是實現電動機的精密制動，提高電動機的動態性能。這里討論的就是變頻調速系統節能控制的第二個環節－變頻調速能量回饋控制技術。在能源資源日趨緊張的今天，這項研究無疑具有十分重要的現實意義。

　　1.4.1雙PWM形式

　　（1）PWM回饋原理

　　雙PWM控制技術打破了過去變頻器的統一結構，采用PWM整流器和PWM逆變器提高了系統功率因數，并且實現了電機的四象限運行，這給變頻器技術增添了新的生機，形成了高質量能量回饋技術的最新發展動態。

　　圖2所示為采用PWM整流的電壓型變頻器的系統構成圖。它的主回路是普通的三相橋式電路，在電源輸入側接有濾波電感，以便使輸入電流為正弦形。采用直流電壓、輸入電流雙閉環控制。電流控制常采用追蹤方式PWM，直流電壓的控制采用比例積分PI控制。通過追蹤式PWM技術，使用具有滯環比較器，使得實際電流鋸齒狀地追蹤設定電流的變化。設定電流的波形是電源電壓波形，為正弦形，其相位和電源電壓同相位，同時相位也可以視需要而調整。設定電流的大小由直流電壓調節器決定。直流電壓調節器的輸入為直流電壓的誤差信號，即直流電壓的設定值和檢測值之差。采用PI控制可以實現直流電壓的無靜差。

圖2   雙PWM控制的變頻器構成圖

　　（2）雙PWM回饋形式一

　　VACON公司的CXR系列變頻器就是采用雙PWM的結構，能廣泛應用于離心分離機、傾倒裝置、起重機、重載傳送裝置等需要四象限運行的場合，如圖3為CXR配置圖。

　　VaconCXR專為需要連續制動的場合開發。CXR產生的再生能量是無諧波的，可以被回饋給電源。它可以有效地補償電源的功率因數。VaconCXR由兩個同樣(尺寸)的單元CXI組成，其中一個連接到電機，另一個通過濾波器連接到電源。VaconCXI是一種以CX為基礎的直流供電的PWM逆變器，它不包含整流橋。濾波器為LCL形成。兩個CXI單元的直流回路相連。控制電機的單元與VaconCX相同，其功能：相同的控制面板、I/O連接和電機控制。

圖3   VaconCXR配置方案和波形圖

　　（3）雙PWM回饋形式二

　　為了解決電動機處于再生發電狀態產生的再生能量，ABB、西門子公司已經推出了電機四象限運行的雙PWM型電壓源交-直-交變頻器。

　　圖4所示為ABB公司的ACS611系列四象限變頻器示意圖。

圖4   ACS611結構圖

　　1.4.2能量回饋單元

　　能量回饋單元的作用，就是取代原有的能耗電阻式制動單元，消除發熱源，改善現場電氣環境，可減少高溫對控制系統等部件的不良影響，延長了生產設備的使用壽命。同時由于能量回饋單元，能有效的將變頻器電容中儲存的電能回送給交流電網，供周邊其他用電設備使用，則可節約生產用電，一般節電率可達20％～40％左右。

　　能量回饋單元已經有非常成熟的產品，如安川公司的VS-656RC5、日本富士公司的RHR系列和FRENIC系列電源再生單元，它把有源逆變單元從變頻器中分離出來，直接作為變頻器的一個外圍裝置，可并聯到變頻器的直流側，將再生能量回饋到電網中。

　　能量回饋單元是帶有再生功能和制動功能的能量回饋單元，與變頻器配合使用，可以發揮出超群的節能效果。與制動電阻單元相比，VS-656RC5不僅節省空間，而且其制動效果更加明顯。VS-656RC5的典型應用是在起重機、升降機、電梯、離心機、卷繞機等大功率反饋負載。

　　能量反饋單元具有如下特點：

　　（1）降低運行成本，包括減少電能損耗、提高功率因數、改善電網運行質量等；

　　（2）提高制動能力，如果以傳統的標準制動電阻器與變頻器的組合，制動力矩大約為120%額定力矩/10s，10%ED；而VS-656RC5與變頻器的組合，制動轉矩則提高到150%額定轉矩/30s或者100%額定轉矩/1min（25%ED）或者80%額定轉矩/連續再生。

　　能量回饋單元的接線方法如圖5所示。

圖5   能量回饋單元接線

　　圖5中，電抗器L1的作用是電源協調用，而電抗器L2的作用則是電流抑制用。當電機處于電動狀態時，電動功率方向是從三相電源經變頻器的整流橋流出；當電機處于發電狀態時，發電功率方向則是從變頻器的中間回路經能量回饋單元流向三相電源。

　　2 能耗制動設計的基本原則

　　2.1 能耗制動的基本計算公式

　　能耗制動中涉及到制動單元和制動電阻的選配計算方法，包括以下幾種：

　　2.1.1制動轉矩TB的計算

　　假設電機從現在的運行速度開始制動，在一定的減速時間里，到達新的一個穩定轉速，這樣的一個制動過程所需的電磁轉矩TB可以由以下公式計算：

       （1）

　　式中，TB為制動電磁轉矩（Nm）；GD2M為電機的轉動慣量（Nm2）；GD2L為電機負載側折算到電機側的轉動慣量（Nm2）；TL為負載阻轉矩（Nm）；N1為制動前電機速度（r/min）；N2為制動后電機轉速（r/min）；ts為減速時間（s）。

　　一般情況下，在進行電機制動時，電機內部存在損耗，折合成制動轉矩大約為電動機額定轉矩的20％，因此若所計算出的制動電磁轉矩小于20％的電機額定轉矩，則表明無需外接制動裝置。

　　在能耗制動中，要有足夠的制動轉矩才能產生需要的制動效果，制動轉矩太小，變頻器仍然會過電壓跳脫。制動轉矩越大，制動能力越強，制動性能越好。但是，制動轉矩要求越大，設備投資也會越大。在制動轉矩進行精確計算出現困難的時候，我們還可以進行估算來滿足工程要求。

　　有這樣一些經驗值：按100%制動轉矩設計，可以滿足90%以上的負載；對電梯，提升機，吊車，按100%；開卷和卷取設備，120%計算；離心機負載為100%；需要急速停車的大慣性負載，可能需要120%的制動轉矩；普通慣性負載80%。在極端的情況下，制動轉矩可以設計為150%，此時對制動單元和制動電阻都必須仔細核算，因為此時設備可能工作在極限狀態，一旦計算錯誤可能會損壞變頻器本身。超過150%的轉矩是沒有必要的，因為超過這個數值，變頻器本身也工作到了極限，沒有增大的余地了。

　　2.1.2制動電阻的阻值計算

　　制動電阻的選擇必須基于這樣一個原則：電機再生電能必須被電阻完全吸收。

　　在制動單元工作過程中，直流母線的電壓升降取決于常數RC，R為制動電阻的阻值，C為變頻器的電解電容的容量。由充放電曲線我們知道，RC越小，母線電壓的放電速度越快，在C保持一定（變頻器型號確定）的情況下，R越小，母線電壓的放電速度越快。由以下公式可以求出制動電阻的阻值：

    （Ω）（2）

　　式中，UC為制動單元動作電壓值，取值可以參照第二章相關內容（通常可以取710V）；TM為電機額定轉矩（Nm）。

　　這里，設定N2為0，這樣該阻值就能滿足電機各種減速狀況的要求。

　　2.1.3制動單元的選擇

　　在進行制動單元得選擇時，制動單元工作時流過開關管的最大瞬時電流要小于該器件的額定電流是選擇的唯一依據，通過計算出最大電流值，就可以選擇合適的制動單元，計算公式如下：

　　IC=UC/RB (A)

　　式中，UC為制動單元直流母線電壓值，在交流380V進線電源時取800V；RB為制動電阻阻值（Ω）；IC為制動電流瞬時值（A）。

　　一般變頻器的硬件過壓保護值為760V，考慮其動作的滯后，將其適當加大，但不會超過800V，因此在計算IC時適當加大了UC。

　　2.1.4制動電阻的標稱功率

　　由于制動電阻為短時工作制，即每次通電時間很短，在通電期間，電阻溫升遠遠達不到穩定溫升，但瞬時功率很高；每次通電后的間歇時間較長，在該段時間內其溫度在不斷下降，如此循環往復，最終電阻達到一定的穩定溫升，一般有80～100度。因此根據電阻的特性和技術指標，我們知道電阻的標稱功率（即額定功率）將小于通電時的消耗功率，一般可以由下式求得：

    （3）

　　式中，PR為制動電阻的標稱功率或額定功率（W）；PS為制動期間的平均消耗功率（W）；ED%為制動使用率，這里選擇10％；a為制動電阻降額系數，一般選1.5～2，該值可以由電阻的降額曲線查得。

　　PS可由以下公式求得：
 
    （4）

　　這里必須指出，制動使用率是根據負載的實際情況選定的，不同的工藝條件，ED％就不一樣。圖6為制動使用率的示意。

圖6   制動使用率

　　這里以典型的升速、保持、降速為一個過程，從前一次減速制動到現在的減速制動為一個周期Tc，減速時間即制動時間為Tb，則制動使用率就是由以下公式計算：

　　ED%=（Tb/Tc）×100％

　　一般而言，ED%取值根據負載的實際制動特性，當然也可以由下面的經驗值進行估算：

　　電梯ED%=10-15%

　　油田磕頭機ED%=10-20%

　　開卷和卷取ED%=50-60%（最好按系統設計指標核算）

　　離心機ED%=5-20%

　　下放高度超過100米的吊車ED%=20-40%

　　偶然制動的負載ED%=5%

　　其他ED%=10%

　　以上所講的都是電機處于重復減速的周期制動情況，如果屬于非重復減速，其制動電阻的額定功率選擇是不同的。另外，如果強迫風冷代替自然冷卻，電阻的額定功率可以進一步減小。總之一句話，制動電阻的額定功率的計算基準是：電機再生電能必須能被電阻完全吸收并變為熱能釋放。

　　確定了阻值和功率就可以基本確定制動電阻的參數，同時在制作方式上應采用雙線并繞的無感電阻，當然也可用普通的箱式電阻，但需在電阻兩端并接一只續流二極管，可使用快恢復二極管，耐壓1000V以上。

　　2.2 能耗制動的基本應用方案

　　能耗制動的基本應用就是變頻器、制動單元和制動電阻，且是一一對應的。由于制動單元一般具有通用性，制動電阻又可以功率和阻值自由選配，所以一對一的單機應用型能耗制動方案對品牌并無特殊要求。

　　能耗制動的基本應用方案一般都以下三種：

　　2.2.1無保護型

　　圖7所示就是適用于用戶選用的普通制動電阻。只要確保制動電阻的功率和散熱條件良好，并不至于發生火災隱患的情況下，就可以選用無保護型接線。

圖7   無保護型制動單元配線

　　圖7中，制動單元以艾默生TDB系列為例，其端子說明如下：P為直流母線正端，N為直流母線負端，可以輸入的電壓規格為DC600V/40A；PB為制動電阻的一端，另外一端為P，接輸出制動電阻；G為制動單元接地；TA/TB/TC為故障繼電器的公共點、常閉點和常開點，可以接交流220V/10A或直流30V/1A以下的控制回路。

　　2.2.2接觸器保護型
　
　　圖8的接線就是通過進線接觸器來保證變頻器與制動單元的電氣安全，也就是說當制動單元發生故障（TA/TB動作）或者制動電阻熱保護（TH1/TH2動作），立即切斷接觸器KM，變頻器和制動單元就處于安全保護狀態。

　　采用接觸器保護型的接線方式必須確保制動單元的動作觸點和制動電阻的熱觸點處于有效的狀態內，否則容易導致接觸器不動作或頻繁動作，反而造成系統損壞。

圖8   保護型制動單元配線

　　2.2.3控制端子保護型

　　圖9的接線就是通過定義控制端子為變頻器的保護功能時封鎖變頻器的電壓輸出，也就是說當制動單元發生故障（TA/TB動作）或者制動電阻熱保護（TH1/TH2動作），變頻器的控制端子X1就處于有效接通的狀態，變頻器就認為外部設備故障，顯示故障報警代碼并停止輸出。這種功能是利用變頻器特有的對輸入外部設備的故障監視功能。

圖9   控制端子保護型制動單元配線

　　參考文獻

　　[1] 李方園. 變頻器行業應用實踐[M]. 北京: 中國電力出版社. 2006.

　　[2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐[M]. 北京: 電子工業出版社. 2007.

　　[3] 張燕賓，胡綱衡，唐瑞球. 使用變頻調速技術培訓教程[M]. 北京: 機械工業出版社. 2004.

　　[4] 吳忠智，吳加林. 變頻器應用手冊(第2版)[M].  北京: 機械工業出版社. 2003.

　　[5] 吳忠智，黃立培，吳加林. 調速用變頻器及配套設備選用指南[M]. 北京: 機械工業出版社. 2002.