1  引言
在通用變頻器、異步電念頭和機(jī)械負(fù)載所組成的變頻調(diào)速傳統(tǒng)系統(tǒng)中，當(dāng)電念頭所傳動的位能負(fù)載下放時，電念頭將處于再生發(fā)電制動狀態(tài);或當(dāng)電念頭從高速到低速(含泊車)減速時，頻率可以突減，但因電機(jī)的機(jī)械慣性，電機(jī)可能處于再生發(fā)電狀態(tài)，傳動系統(tǒng)中所儲存的機(jī)械能經(jīng)電念頭轉(zhuǎn)換成電能，通過逆變器的6個續(xù)流二極管回送到變頻器的直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態(tài)。這時，假如變頻器中沒采取消耗能量的措施，這部門能量將導(dǎo)致中間回路的儲能電容器的電壓上升。假如當(dāng)制動過快或機(jī)械負(fù)載為晉升機(jī)類時，這部門能量就可能對變頻器帶來損壞，所以這部門能量我們就應(yīng)該考慮。
在通用變頻器中，對再生能量最常用的處理方式有2種:(1)耗散到直流回路中人為設(shè)置的與電容器并聯(lián)的“制動電阻”中，稱之為能耗制動狀態(tài);(2)使之回饋到電網(wǎng)，則稱之為回饋制動狀態(tài)(又稱再生制動狀態(tài))。還有一種制動方式，即直流制動，可以用于要求正確泊車的情況或起動前制動電機(jī)因為外界因素引起的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)。
在書籍、刊物上有很多專家談?wù)撨^有關(guān)變頻器制動方面的設(shè)計與應(yīng)用，尤其是近些時間有過很多關(guān)于“能量回饋制動”方面的文章。今天，筆者提供一種新型的制動方法，它具有“回饋制動”的四象限運(yùn)轉(zhuǎn)、運(yùn)行效率高等長處，也具有“能耗制動”對電網(wǎng)無污染、可靠性高等好處。

2  能耗制動
利用設(shè)置在直流回路中的制動電阻吸收電機(jī)的再生電能的方式稱為能耗制動，如圖1所示。

圖1 能耗制作原理圖
其長處是構(gòu)造簡樸;對電網(wǎng)無污染(與回饋制動作比較)，本錢低廉;缺點是運(yùn)行效率低，特別是在頻繁制動時將要消耗大量的能量，且制動電阻的容量將增大。
一般在通用變頻器中，小功率變頻器(22kW以下)內(nèi)置有了剎車單元，只需外加剎車電阻。大功率變頻器(22kW以上)就需外置剎車單元、剎車電阻。

3  回饋制動
實現(xiàn)能量回饋制動就要求電壓同頻同相位控制、回饋電流控制等前提。它是采用有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實現(xiàn)制動如圖2所示。

圖2 回饋電網(wǎng)制作原理圖

回饋制動的長處是能實現(xiàn)四象限運(yùn)行,如圖3所示，電能回饋進(jìn)步了系統(tǒng)的效率。其缺點是:(1)只有在不易發(fā)生故障的不亂電網(wǎng)電壓下(電網(wǎng)電壓波動不大于10%)，才可以采用這種回饋制動方式。由于在發(fā)電制動運(yùn)行時，電網(wǎng)電壓故障時間大于2ms，則可能發(fā)生換相失敗，損壞器件。(2)在回饋時，對電網(wǎng)有諧波污染。(3)控制復(fù)雜，本錢較高。
 

圖3 四象限運(yùn)動圖

4  新型制動方式(電容反饋制動)
4.1 主回路原理
主回路原理圖如圖4所示。
整流部門采用普通的不可控整流橋進(jìn)行整流(如圖中的VD1—VD6組成)，濾波回路采用通用的電解電容(C1、C2)，延時回路采用接觸器或可控硅都行(Ｔ1)。充電、反饋回路由功率模塊IGBT(VT1、VT2)、充電、反饋電抗器L及大電解電容Ｃ(容量約零點幾法拉，可根據(jù)變頻器所在的工況系統(tǒng)決定)組成。逆變部門由功率模塊IGBT組成(VT5-VT10)。保護(hù)回路由IGBT、功率電阻組成。
(1) 電念頭發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)
CPU對輸入的交流電壓和直流回路電壓Ud的實時監(jiān)控，決定向VT1是否發(fā)出充電信號，一旦Ud比輸入交流電壓所對應(yīng)的直流電壓值(如380VAC-530VDC)高到一定值時，CPU關(guān)斷VT3，通過對VT1的脈沖導(dǎo)通實現(xiàn)對電解電容C的充電過程。此時的電抗器L與電解電容C分壓，從而確保電解電容C工作在安全范圍內(nèi)。當(dāng)電解電容C上的電壓快到危險值(好比說370V)，而系統(tǒng)仍處于發(fā)電狀態(tài)，電能不斷通過逆變部門回送到直流回路中時，安全回路施展作用，實現(xiàn)能耗制動(電阻制動)，控制VT3的關(guān)斷與開通，從而實現(xiàn)電阻R消耗多余的能量，一般這種情況是不會泛起的。
(2) 電念頭電動運(yùn)行狀態(tài)
當(dāng)CPU發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不再充電時，則對VT3進(jìn)行脈沖導(dǎo)通，使得在電抗器L上行成了一個瞬時左正右負(fù)的電壓(如圖4標(biāo)出)，再加上電解電容C上的電壓就能實現(xiàn)從電容到直流回路的能量反饋過程。CPU通過對電解電容C上的電壓和直流回路的電壓的檢測，控制VT3的開關(guān)頻率以及占空比,從而控制反饋電流，確保直流回路電壓Ud不泛起過高。
4.2系統(tǒng)難點
(1) 電抗器的選取

圖4 電容反饋制動主回路原理圖

(a) 我們考慮到工況的特殊性，假設(shè)系統(tǒng)泛起某種故障，導(dǎo)致電機(jī)所載的位能負(fù)載自由加速著落，這時電機(jī)處于一種發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，再生能量通過6個續(xù)流二極管回送至直流回路，致使 升高，很快使變頻器處于充電狀態(tài)，這時的電流會很大。所以所選取電抗器線徑要大到能通過此時的電流。
(b) 在反饋回路中，為了使電解電容在下次充電前把盡可能多的電能開釋出來，選取普通的鐵芯(硅鋼片)是不能達(dá)到目的的，最好選用鐵氧體材料制成的鐵芯，再看看上述考慮的電流值如斯大，可見這個鐵芯有多大，素不知市道市情上有無這么大的鐵氧體鐵芯，即使有，其價格也肯定不會很低。
所以筆者建議充電、反饋回路各采用一個電抗器。

2) 控制上的難點
(a) 變頻器的直流回路中，電壓U4一般都高于500VDC，而電解電容Ｃ的耐壓才400VDC，可見這種充電過程的控制就不像能量制動(電阻制動)的控制方式了。其在電抗器上所產(chǎn)生的瞬時電壓降為電解電容Ｃ的瞬時充電電壓為U4=UC-UL為了確保電解電容工作在安全范圍內(nèi)(≤400V)，就得有效的控制電抗器上的電壓降UL而電壓降UL又取決于電感量和電流的瞬時變化率。

(b) 在反饋過程中，還得防止電解電容Ｃ所放的電能通過電抗器造成直流回路電壓過高，以致系統(tǒng)泛起過壓保護(hù)。4.3 主要應(yīng)用場合及應(yīng)用實例
恰是因為變頻器的這種新型制動方式(電容反饋制動)所具有的優(yōu)勝性，近些來，不少用戶結(jié)合其設(shè)備的特點，紛紛提出了要配備這種系統(tǒng)。因為技術(shù)上有一定的難度，國外還不知有無此制動方式？海內(nèi)目前只有山春風(fēng)光電子公司由以前采用回饋制動方式的變頻器(仍有2臺在正常運(yùn)行中)改用了這種電容反饋制動方式的新型礦用晉升機(jī)系列，到目前為止，這種電容反饋制動的變頻器正長期正常運(yùn)行在山東寧陽保安煤礦及山西太原等地，填補(bǔ)了海內(nèi)這一空缺。