变频器能耗制动.doc

一、能耗制动1.1、能耗制动概况从高速到低速（零速）-这时电气的频率变化很快，但电动机的转子带着负载（生产机械）有较大的机械惯性，不可能很快的停止，这样就产生反电势EU（端电压）电动机处于发电状态，其产生反向电压转矩与原电动状态转矩相反，而使电动机具有较强的制动力矩，迫使转子较快停下来, 但由于变频器是交直交主电力,AC/DC整流电路是不可逆的,因此无法回馈到电网上去，结果造成主电路电容器二端电压升高，称泵升电压，当超过设定上限值电压700V时，制动回路导通，这就是制动单元的工作过程，制动电阻流过电源，从而将动能变热能消耗,电压随之下降，待到设定下限值(680V)时即断.这种制动方法属不可控，制动力矩有波动，制动时间是可人为设定的。1.2、技术参数1.2.1、制动方式：自动电压跟踪方式；1.2.2、反映时间：1ms以下有多种噪声；1.2.3、电网电压：300-460V，45-66Hz；1.2.4、动作电压：700V直流，误差2V；1.2.5、滞环电压：20V；1.2.6、制动力矩：通常130%，最大150%；1.2.7、保 护： 过热，过电流，短路；1.2.8、滤波器：有噪声滤波器；1.2.9、防护等级：IPOO；（注：通常这类制动器方式是不需要另外控制，是制动单元自动完成，其制动触发电压有的厂家的产品可以通过设置电网电压来设置。制动时间往往不可以直接调整，可以通过变频器的减速时间间接控制。）1.3、制动电阻计算方法制动力矩 制动电阻92% R=780/电动机KW100% R=700/电动机KW110% R=650/电动机KW120% R=600/电动机KW注：电阻值越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大；不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流，否则要损坏器件；制动时间可人为选择；小容量变频器(7.5KW)一般是内接制动单元和制动电阻的；当在快速制动出现过电压时，说明电阻值过大来不及放电，应减少电阻值。1.4、电阻功率计算方法制动性质 电阻功率一般负荷 W(Kw)=电阻KW10频繁制动（1分钟5次以上） W(Kw)=电阻KW15长时间制动（每次4分钟以上） W(Kw)=电阻KW201.5、制动电路对低压变频器来说其主电路模式几乎是统一的电压型，交-直-交电路，它由三相桥式整流，即AC/DC，滤波电路的电容器C1及C2，制动电路由晶体管T及电阻R和二级管Z组成的主控电路，三相式逆变IGBT组成为DC/AC；1.6、驱动电路介绍1.6.1、大功率T：可用GTR或IGBT均可，其主要参数选择如下1.6.1.1、击穿电压UCEO=1000V即可；1.6.1.2、集电极最大电流:按正常电压下，流经RB的电流二倍，即ICM2UD/R；1.6.1.3、其它参数如放大倍数，开关时间等军无严格要求；1.6.2、驱动电路可用集成电路组成亦为可用分立元件组成图1，图中VD5-VD8上的电压将为GTR提供反向偏置，工作过程是，当光藕VL得到信号而导通时，则V1导通且饱和，V2随即导通V3截止，使GTR导通，既有制动电阻流经RB，当VL失去信号而截止时，V1截止，随即V2截止，V3导通，GTR因反向偏而截止，这样多次反复将动能变电能，消耗在制动电阻RB上，以发热方式损耗；1.6.3、工作信号的取出 一般均取直流电压作信号图2。当UD超过限值（如700V）时，比较器的输出为“+”，则光藕VL输出信号电流，再推动驱动电路,实现能耗制动工作状态，当如UD(如608V)下限值时,比较器的输出为“一”，则光藕VL输出无电流，这时驱动电路不工作，处于不制动工作状态；1.6.4、保护电路-电阻RB的标称功率比实际消耗的电功率小得多，因此电阻若通过电时间过长，必导致过热损坏，所以要有热保护，其方法有用热继电器，热敏电阻，温度开关等；1.7 、主要应用场合能耗制动的不足，是在制动过程中，随着电动机转速的下降，拖动系统动能也在减少，于是电动机的再生能力和制动转矩也在减少，所以在惯性较大的拖动系统中，常会出现在低速时停不住，而产生“爬行”现象，从而影响停车时间的延长或停位的准确性；仅适用一般负载的停车，但有较大能量损耗，停位不准确，然而电路简单，价格较低；二、直流制动（又称DC制动）1 、直流制动概况在步电动机定子加直流电压，此时变频器的输出频率为零，这时定子产生静止的恒定磁场，转动着的转子切割此磁场产生制动力矩，迫使电动机转子较快的停止，这样电动机存诸的动能换成电能消耗于步电动机的转子电路中。2、主要应用场合2.1、需要准确停车的场合；2.2、用于阻止起动电动机由于外因引起的不规则自动旋转，例：风机，由于风管的拨风造成压差，而迫使风叶的自由旋转，甚至可能反转，故起动变频器前，先要保证拖动系统从零速开始起动，即先实施直流制动，到领速后方可起动的条件，尤其对中大型风机更为严重必要。3、直流制动三个要素：3.1、 直流制动电压值，实质是在设定制动转矩的大小，显然拖动系统惯性越大，UDB值该相应大些，一般直流电压在15-20%左右的变频器额定输出电压约为60-80V，有的用制动电流的百分值，当然IN额定值的。不同的变频器提供不同的选择，也有的变频器提供两种选择供选择。3.2、 直流制动时间TDB，即是向定子绕组通入直流电流的时间，它应比实际需要的停机时间略长一些，亦可人为选择的。3.3、 直流制动起始频率fDB，当变频器的工作频率下降到多大时开始由能耗制动转为直流制动，这与负载对制动时间的要求有关，若并无严格要求情况下，fDB尽可能设定得小一些。3.4、 制动全过程中可把高速段采用能耗制动，低速段采用直流制动，二者配合使用，这样既能快速成制动，又可准确停车，并防止低速爬行现象。4、定子绕组通入直流电流的方式：4.1 定子三相绕组中通入直流电流，这时6个IGBT中只要三个处于工作状态，且这3个应位于不同桥臂不同侧。即不能均为上管或下管，其余3个一直处于关断状态。触发信号的占空比可以根据调制度进行调节。4.2 定子二相绕组中通入直流电流，这时只有2个位于不同桥臂不同侧的IGBT处于工作状态，其余都有处于关断状态。不论上述何种电路都存在当定子绕组中通入直流电电流的方向同定子原来的电流向相反，导致发生较大的第di/dt, 这时可能产生冲击电流，出现过流保护跳闸现象，解决方法是使通入前的电压相位角要记下，通过软件方法，使通入电流前、后的电流方向的一致，这是必须的。5、一般变频器使用直流制动后，当工作完成即不再向定子绕组通直流电就完事了，没有去剩磁控制环节；高档变频器有退去剩磁控制环节，以免在正常逆变器工作时，对电动机运行时，因剩磁作用，产生不良的影响。三、能量回馈1、回馈制动概况当电动机功率较大（100KW以上），设备转动惯性GD2较大，且是反复短时连续工作制从高速到低速的降速幅度较大，且制动时间亦较短，在这样使用过程中，为减少制动过程的能量损耗，将动能变为电能回馈到电网去，以达到节能功效，只要使用能量回馈制动装置就可。2、回馈制动条件2.1、电动机从高速fH到低速fL减速过程时，频率可突减，但因电动机的机械惯性影响使转差SU（端电压）。2.2、从电动机在某一个fN运行,需要停车至fN=0,在这个过程电动机同样出现发电运行状态,这进反动势EU端电压。2.3、位能(或势能)负载,如起重机吊了重物下降时,出现实际转速nn0同步转速,这时也出现电动机发电运行状态,当然EU是必然的。3、回馈制动原理一般变频器其桥式整流电路是三相不可控的即AC/DC，因此无法实现直流回路与电源间双向能量传递，一种最有效的办法是采用有源逆变技术, 即将再生电能逆变为与电网同频率，同相位的交流电回送电网，从而实现制动。通过电流追踪型PWM整流器组成方式，容易实现功率的双向流动，且具有很快的动态响应速度，同时这样的拓补结构使得我们能够完全控制交流电侧和直流侧之间的无功和有功的交换，且效率可高达97%，经济效益较大，热损耗为能耗制动的1%，现时不污染电网，所以特别适用于需要频繁制动的场合，电动机的功率亦较大，这时节电效果明显,按运行的工况条件不同平均约有20%的省电效果。四、共用直流母线方式的回馈制动共用直流母线方式的再生能量回馈系统。对于频繁启动、制动，或是四象限运行的电机而言，在制动过程不仅不影响系统的动态响应，可以将制动产生的再生能量进行充分利用，从而起到既节约电能又处理再生电能的功效。(注：共直流母线方式，适用于可以联动的多负载系统。一个或者多个负载产生的电能，可以被另外的负责直接消耗。消耗不了的才通过整理单元回馈至电网。)4.1、工作原理我们知道通常意义上的异步电机多传动包括整流桥、直流母线供电回路、若干个逆变器，其中电机需要的能量是以直流方式通过PWM逆变器输出。在多传动方式下，制动时感生能量就反馈到直流回路。通过直流回路，这部分反馈能量就可以消耗在其他处在电动状态的电机上，制动要求特别高时，只需要在共用母线上并上一个共用制动单元即可。在实际的应用中，多传动的系统造价高、品牌少，也往往使用在钢铁、造纸等高端市场。以此参照到众多的制动小系统应用，也不失为一种效率好、节能高的制动方式。处于电动状态的电机M1上的变频器VF1与电网连接，电机M2的变频器VF2则通过共用直流母线方式与VF1的母线相连。在此种方式下，VF2仅做为逆变器在使用，M2处于电动时，所需能量由交流电网通过VF1的整流桥获得；M2处于发电时，反馈能量通过直流母线由M2的电动状态消耗。4.2、应用范围共用直流母线的制动方式可典型应用于造纸机械、印刷机械、离心分离机以及系统驱动等。在这些应用中，有一个共同的特点：即处于发电状态的M2的容量远远小于处于电动状态的M1的容量，而且当M1的电动状态停止时（即变频器VF1待机），M2的发电状态随即转为电动状态。这样，直流母线电压就不会快速升高，系统始终处于比较稳定的状态。（在轮胎吊上运用广泛）4.3、制动特点采用共用直流母线的制动方式，具有以下显著的特点：4.3.1、节能：电机制动时回馈的能量可以被利用，所以比较节能，特别是对起重机等升降设备而言更具有节能优势； 4.3.2、设备功率因素较高：因为电机能够回馈能量，无功功率损失小，所以设备功率因素较高，可达95%以上； 4.3.3、瞬间停电不一定导致变频器跳闸停机：这是因为一些设备在瞬间停电时可能正处于制动（发电、回馈能量状态），所以瞬间停电干扰对设备的影响就没有那么大； 4.3.4、电网谐波较低：共用直流母线平衡了变频器的直流母线电压，设备启动、停止时对电网的冲击也低； 4.3.5、可以急降速：不存在制动电阻消耗能量，因为电机在停机时成了发电机，能量回馈到直流母线上了；（在起重机上机构负载是发生变化的，因此这种状态还是达不到的，而且在母线侧还是要配备制动单元防止母线电压过高危害设备和作业安全） 4.3.6、允许频繁起动操作：因为有共用直流母线的存在，设备启动、停止时对电网和电气设备的冲击也减小了，因此允许频繁起动操作； 4.3.7、多台变频器不需要相同的额定功率：各电机也不需要相同功率，但差别不要过大，最适合比例连动多台控制； 4.3.8、可以驱动三相永磁同步电机。4.4、共用直流母线回馈制动的分类共用直流母线回馈制动分为两种：共用直流均衡母线和共用直流回路母线。4.4.1、共用直流均衡母线是将多台变频器的直流母线回路并联在一起（变频器本身设计有外接的直流母线输出端子），达到共用直流母线的方式。每台变频器和共用直流母线之间可以加装电抗器、快速熔断器和接触器等，这一部分是变频器以外的部分，电气设计人员可以根据实际需要进行设计。4.4.2、共用直流回路母线方式是将多台逆变器连接到同一个公共的直流回路上。这种方式采用了1个整流器和多个逆变器，成本更低。但功能相对较弱（单独的逆变器和变频器相比，功能终究要弱一些），而且采购、安装/维修可能也没那么方便。4.5、共用直流均衡母线技术的基本要求4.5.1、变频器需共享整流装置，此整流装置为共用直流母线专用装置。4.5.2、变频器尽量安装在一起，避免远距离配线，最好在同一个电气房。 4.5.3、变频器每一台都必须另外作隔离保护装置。 4.5.4、不能使用一般变频器作共用直流母线使用,否则会有炸机的危险。 4.5.5、电机的容量功率可以不必相同，但必须考虑停机时能量反馈能否被用掉。 4.5.6、一般运转台数在412台(电机功率可以不相同)一组共用直流母线为佳。 4.5.7、部分变频器可以驱动永磁同步电机，解决起动的冲击问题。5、逆变制动能量回馈电网要实现直流回路与电源间的双向能量传递，一种最有效的办法就是双向逆变技术。1、逆变技术原理将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。回馈制动的原理，是采用了电流追踪型PWM整流器，这样就容易实现功率的双向流动，且具有很快的动态响应速度。同时，这样的拓扑结构使得我们能够完全控制交流侧和直流侧之间的无功和有功的交换。2、逆变制动特点2.1、广泛应用于PWM交流传动的能量回馈制动场合，节能运行效率高；2.2、不产生任何异常的高次谐波电流成分，提高电网的质量，绿色环保；2.3、功率因数1；2.4、多电机传动系统中，每一单机的再生能量可以得到充分利用；2.5、节省投资，易于控制网侧谐波和无功分量；3、逆变制动的能量回馈分类3.1 共直流母线+整流部分带有能量回馈功能共直流母线+整流部分带有能量回馈功能的系统按照整流部分逆变工作原理又分为有源和无源两种。这种拓扑结构是目前各个变频厂家主推的一种解决方案。整个回馈功能集成在整流单元内，不需要另外的辅助设备。结构较为简单。3.2 单个变频器在直流母线上连接一个能量回馈单元。可以看见这样的结构我们非常熟悉，它实际上就是我们常规应用中添加了两个RG1能量回馈装置。这样的结构非常适合对现有系统的改造。下面是以西门子产品为例的图示：AFE（有源前端Active front-end）是共直流母线系统中的双向（可回馈能量）整流装置，需要在输入侧配装外部LCL滤波器。这种前端单元适用于要求电网谐波非常低的应用场合。AFE可将直流母线电压提升（默认值为+10%）至高于直流母线电压额定值（1.35UN）。 AFE需要一个预充电回路。但是，AFE不需要任何外部测试设备。AFE可相互并联，且无需专用连接件。AFE可与逆变器一起接入同一个现场总线系统，并由现场总线控制和监控。FFE（基本前端Fundamental front-end）是共直流母线系统中的双向（可回馈能量）整流装置，FFE单元在电动状态时的工作模式类似于一个二极管桥，回馈能量时则像一个反并联的晶闸管桥。在FFE单元中，晶闸管被IGBT取代。输入侧配有专用的电抗器，FFE单元适用于在能量回馈时对谐波量没有很高要求的场合。与反并联的晶闸管桥相比，FFE拥有很多优点：额定直流母线电压（1.35UN）下无需自藕变压器，最大电机电压等于电源电压；电源故障时亦可实现运行可控；备件与相同规格逆变器完全相同。FFE需要一个外部充电回路。FFE可与逆变器一起接入同一个现场总线系统，并由现场总线控制和监控。NFE（无回馈前端Non-r