变频器能耗制动应用分析

1. 引言

近年来，随着变频器本身功能的不断完善，交流调速技术有了长足的进步。如何在不同应用条件下充分开发变频器自身功能、有效的降低设备的改造成本已成为一个重要问题。 与通常的控制方式相比，利用变频器直流制动功能实现交流拖动系统准确停车的设计方案省去了价值昂贵的变频器专用制动单元／制动电阻，有效降低了设备改造成本，工作稳定可靠、控制精度高。

2. VVVF能耗制动的理论分析

通用变频器提供的制动方式主要有：能耗制动、再生制动、整流回馈等。在转动惯量较大的工况条件下，变频器厂家所建议采用的一般方式是外接制动电阻和制动单元的再生制动方式，某些情况下可以配合采用直流制动。这一设计思路基本为大多数目内用户所接受，并在实际使用中获得了较好的效果。但该方案需另外购买变频器厂家提供的专用制动单元／制动电阻，无形中增大了改造成本。

所谓“直流制动”，一般指当变频器的输出频率接近为零，电机的转速降低到一定数值时，变频器改向异步电动机定子绕组中通入直流，形成静止磁场，此时电动机处于能耗制动状态，转动着的转子切割该静止磁场而产生制动转矩，使电动机迅速停止。在电动机制动过程中，由于变频器输出频率逐渐降低，则定子绕组内的同步磁场转速低于转子转速，电动机处于再生制动过程，此时旋转系统存储的动能转换成电能热损耗的形式消耗于异步电动机的转子回路中，为防止电动机减速过程中所形成的再生发电制动以及直流制动过程中的能量回馈，造成变频器和电机的损坏，需串入专用制动单元／制动电阻。

如图1所示为一般交流电动机制动时的机械特性曲线。设A点为正常工作点。电动机同步旋转磁场转速为：

式中， 为电机同步转速， 为电源频率， 为电动机磁极对数。

图1．异步电动机机械特性曲线

在通常电动机的制动过程中，电动机先减速，电动机同步旋转磁场转速低于转子转速，工作点在同一转速下由曲线①的A点跳至曲线②的B点，即从第一象限过渡到第二象限称之为同一转速下特性的跳转，则电机得到反方向的制动转矩T 进入发电制动状态，拖动系统沿图1中曲线②迅速降速，当低于某一转速后，向定子绕组输入直流，形成固定磁场，产生制动转矩。在这一过程中，电机将经过再生发电制动和能耗制动而最终停止。

从理论上分析，如果能够控制电动机同步磁场的转速缓慢下降，使电动机在同一转速下特性跳转时，特性曲线维持在第一象限，如图 1中虚线组③所示缓慢降速，不跳转至第二象限则拖动系统在降速过程中可以有效的避免发生再生制动过程。如图1所示，当电机转速在小于临界转速nh的情况下接入直流进行制动，并相应控制接入直流的大小和时间，理论上分析电机只经历有限的能耗制动阶段，不会过热。而变频器良好的内、外特性可以保证上述各项条件的满足。

但是，采用该方法有一些必要的前提条件，首先，系统不能频繁进行启／停，否则会造成变频器直流电路故障。其次，提升机、电梯等下放重物的工况不适宜采用。再次，系统降速时间不能过短，即降速不能过快，否则工作点将进入第二象限发生再生制动过程，引起电机过热。

3. 结束语

理论上的分析可以证明，该设计思路是完全合理的。实践中，变频器采用直流制动并配合适当的直流制动时间，起始频率和制动准位所产生的电机刹车效果也比较明显。