變頻調(diào)速器中制動(dòng)電阻的工作原理
1 變頻器結(jié)構(gòu)原理
1.1 變頻器由主電路和控制電路組成
主電路是電源頻率變換部分,主要由三部分組成。包括將工頻變換為直流功率的“整流器”、吸收電壓脈動(dòng)的“濾波回路”、以及將直流變換為交流的“逆變器”??刂齐娐肥墙o主電路提供控制信號(hào)的回路,它包括運(yùn)算、檢測(cè)、速度檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等電路組成。
1.2 重點(diǎn)介紹變頻器的主回路工作原理
1.2.1 整流電路 VD1-VD6組成三相橋式全波整流電路。
1.2.1 濾波電路。整流后的電壓為脈動(dòng)電壓,濾波電容Cl起濾波作用。由于儲(chǔ)能電容較大,接入電源時(shí)電容兩端電壓為0,因而在上電瞬間濾波電容Cl的充電電流很大,過大的電流會(huì)損壞整流管,為限制充電電流在整流橋上電瞬間串入充電電阻Rs,當(dāng)Cl充電到一定程度時(shí)由旁路開關(guān)Ks將Rs短路。
1.2.3 逆變電路。V1-V6組成的逆變橋?qū)⒅绷麟娔孀兂深l率、幅值都可調(diào)的交流電。續(xù)流二極管D1-D6為無功電流返回到直流電源提供通道;當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí),再生電能通過D1-D6返回直流回路;V1-V6進(jìn)行逆變過程是同一橋臂兩個(gè)逆變管交替導(dǎo)通和截止,在換相過程中也需要D1-D6提供通路。
1.2.4 儲(chǔ)能、制動(dòng)電路。由于逆變管V1-V6每次由導(dǎo)通切換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間,C極和E極間的電壓由近乎0V上升到直流電壓值UD,過高的電壓可能損壞逆變管,儲(chǔ)能電容C1、C2的作用便是降低V1-V6關(guān)斷時(shí)的電壓增長(zhǎng)率;電機(jī)在減速時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可能超過此時(shí)的同步轉(zhuǎn)速而處于發(fā)電狀態(tài),系統(tǒng)的動(dòng)能將回饋到母線上致電壓升高,甚至可能損壞變頻器,制動(dòng)電阻Rb就是用來消耗這部分能量的。
2. 三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理
三相異步電動(dòng)機(jī)通入三相交流電,產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子閉合導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流,轉(zhuǎn)子電流與定子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力,帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。我們定義同步轉(zhuǎn)速是指旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度,用n0表示;轉(zhuǎn)子輸出轉(zhuǎn)速為n;同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值與磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速之比,稱為轉(zhuǎn)差率s,f為電源頻率,p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。
同步轉(zhuǎn)速:n0=60f/p,轉(zhuǎn)差率:s=(n0-n)/n0,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速:n=60f/p(1-s)
由上式可知,改變電源頻率、極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)差率均可達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。然而在實(shí)際中,普通電機(jī)一經(jīng)出廠,極對(duì)數(shù)及轉(zhuǎn)差率即固定不變,實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速,只能改變電源的頻率。
3 電機(jī)回饋能量的產(chǎn)生及變頻器制動(dòng)單元的作用
在引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速中,當(dāng)工藝要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)快速減速和停機(jī)時(shí)候,電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨著變頻器輸出頻率隨之下降,但由于此類負(fù)載慣性較大,電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并不能隨之馬上降低。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí),輸出到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩變成了制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,使電機(jī)的轉(zhuǎn)速下降,此時(shí)電機(jī)變成發(fā)電狀態(tài),再生電能回饋到直流電路。由于直流電路的電能無法回饋到電網(wǎng),僅靠變頻器內(nèi)部功率有限的電阻吸收是不夠的,電荷堆積使電壓不斷上升,過高的電壓將損壞內(nèi)部元件。為保證變頻器安全,內(nèi)部的過壓保護(hù)會(huì)動(dòng)作,造成變頻器停機(jī)。維持在此類工業(yè)環(huán)境中變頻器穩(wěn)定運(yùn)行,必須將電動(dòng)機(jī)發(fā)電制動(dòng)狀中回饋的電能消耗掉。
通過在變頻器直流母線上加裝制動(dòng)電阻單元,將再生電能以熱能形式消耗掉來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速快速降低或停車。它包括制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻兩部分。制動(dòng)單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓UD超過規(guī)定的限值時(shí)接通制動(dòng)電阻,使電能通過電阻以熱能方式釋放。制動(dòng)電阻單元可分內(nèi)置式和外置式兩種。前者是適用于小功率的通用變頻器,即圖1中虛線框所示部分;由于變頻器內(nèi)部空間狹小,散熱條件有限等原因,后者則是適用于較大功率變頻器或是對(duì)制動(dòng)有特殊要求的工況中。
當(dāng)工況變化時(shí),電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行,能量反饋回直流回路,使母線電壓升高達(dá)到制動(dòng)單元導(dǎo)通值時(shí),電流流過制動(dòng)電阻以熱能形式消耗,電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低,母線電壓也降低;當(dāng)母線電壓降至制動(dòng)單元要關(guān)斷的值,制動(dòng)單元的功率管截止,制動(dòng)電阻無電流流過;制動(dòng)單元通過不斷重復(fù)導(dǎo)通和關(guān)斷過程,平衡母線電壓,保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。