ot;left" sty 摘 要:本文簡要介紹了交流異步電動機的運行原理,著重闡述了采用變頻器供電的異步電動機電氣制動的幾種方法與制動原理,指出了各種制動方法的優(yōu)缺點及其適應場合。
關(guān)鍵詞:變頻器 異步電機運行原理 制動方法
1 引言 在
通用變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)中,當電動機減速或者拖動位能負載下放時,電動機的實際速度將高于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度。為了使電動機的實際速度與給定速度相符,就必須采取制動措施。異步電動機的制動方法有再生發(fā)電制動、直流制動和機械抱閘制動。而機械抱閘制動直觀,這里不做介紹,只介紹前面兩種電氣制動方法。為了便于介紹電氣制動的原理與方法,首先回顧一下,異步電動機的運行原理。
2 異步電機運行原理 眾所周知,異步電動機的定子上裝有一套在空間上對稱分布的三相繞組AX、BY、CZ如圖1所示。當給這三相繞組通以交流電時,則在定轉(zhuǎn)子氣隙中產(chǎn)生磁場。此磁場在任何瞬間都是三相繞組各磁場的總和。通過右手定則對圖1中不同瞬間電流與磁場方向的關(guān)系可知,合成磁場FΣ的方向與電流為最大值那一相繞組的軸線方向一致。因此隨著電流最大值依次由A相→B相→C相→A相等順序變化,合成磁場的方向也依次指向A相→B相→C相→A相等各相繞組的軸線方向。這就是說,這個合成磁場是一個“旋轉(zhuǎn)磁場”。其旋轉(zhuǎn)速度n0(同步轉(zhuǎn)速)與交流電源頻率成正比,而與磁場極對數(shù)成反比。
圖1旋轉(zhuǎn)磁場形成
由于旋轉(zhuǎn)磁場的作用,轉(zhuǎn)子導體切割磁場磁力線而產(chǎn)生感應電勢,這個感應電勢使閉合的轉(zhuǎn)子導體產(chǎn)生電流,通電導體在磁場中又受到一個力的作用,這個作用在導體上的力,將使異步電動機旋轉(zhuǎn),其某一瞬間情況如圖2所示。根據(jù)右手定則可知轉(zhuǎn)子閉合導體電流的方向。再根據(jù)左手定則可知轉(zhuǎn)子導體受力方向。此作用力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩XTD將克服阻力矩Mfz,使電機加速到電動力矩等于阻力矩為止。
圖2 旋轉(zhuǎn)力矩形成
3 電氣制動的方法與原理
采用通用變頻器供電的異步電動機電氣制動有直流制動與再生發(fā)電制動(能耗制動)兩種。現(xiàn)就這兩種制動方法與制動原理分述如下。
3.1直流制動
直流制動是使變頻器向異步電動機的定子任意兩相通以直流電,異步電動機便處于能耗制動狀態(tài)。這種情況下變頻器的輸出頻率為零,異步電動機的定子磁場不再旋轉(zhuǎn)。直流制動主要用于準確停車與防止起動前電動機由于外因引起的不規(guī)則自由旋轉(zhuǎn)(如風機類負載)。當直流制動用于準確停車時,一般都應先進行再生發(fā)電制動,在電動機減速到較低時,進行直流制動。這是因為高速時進行直流制動,異步電動機轉(zhuǎn)子電流的頻率與幅值都很高,轉(zhuǎn)子鐵損很大,導致電動機發(fā)熱嚴重,但得到的制動轉(zhuǎn)矩卻并不太大,另一方面準確停車也較難保證,而采用先再生發(fā)電制動,等降頻到fDB再進行直流制動,只要合理調(diào)整fDB、制動時間tDB、制動直流電壓UDB就可確保準確停車。轉(zhuǎn)動著的轉(zhuǎn)子切割這個靜止磁場而產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩,如圖3所示。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的動能轉(zhuǎn)換成電能消耗于異步電動機轉(zhuǎn)子回路中。圖3的(a)與(b)還說明這種制動與通入直流電的極性無關(guān)。
圖3 直流制動原理
3.2再生發(fā)電制動
當給定頻率降低時,定子旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度降低或位能負載下放倒拉。此時異步電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度將超過旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度,因此轉(zhuǎn)子導體中的感應電勢反向,電流反向,電動轉(zhuǎn)矩反向,如圖4,電動轉(zhuǎn)矩(與阻力矩同向)起制動作用,使電動機減速。此時的異步電動機相當于一臺異步發(fā)電機,將旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的動能或重物下放的位能轉(zhuǎn)換成電能。這部分電能如果不進行處理,將引起直流側(cè)過壓,而引起故障跳閘或損壞變頻器,因此必須處理好這部分電能。其處理方法一般有如下三種:
圖4 發(fā)電狀態(tài)
(1)動力制動
這種方法就是通過與直流回路濾波電容并聯(lián)的放電電阻,將這部分電能消耗掉,因此也稱再生能耗制動,如圖5所示,圖5中虛線框內(nèi)為制動單元(PW),它包括內(nèi)部制動電阻RB,制動用的晶體管VB等,VB的通斷是通過檢測直流電壓大、小來控制。實際上電阻中的電流是間歇的,所以西門子公司資料稱“脈沖電阻”(PulsedResistor)。此單元實際上只起消耗電能防止直流側(cè)過電壓的作用。它并不起制動作用,但人們習慣稱此單元為制動單元。要提高制動的快速性,就要快速消耗掉這部分電能,可以在圖5中H,G兩點間外接制動電阻REB,REB阻值與功率應符合產(chǎn)品樣本要求。
圖5 動力制動
(2)再生制動
這種方法就是通過與整流器反并聯(lián)的回饋單元,將這部分電能回饋給電網(wǎng)如圖6所示,這種情況整流單元也必須采用晶閘管整流元件,一般采用邏輯無環(huán)流工作方式。回饋單元與電網(wǎng)之間應串接一臺自耦變壓器,此種制動方法雖然可以把旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)存儲的能量回饋給電網(wǎng),但對供電電網(wǎng)的要求比較高;一是電網(wǎng)電壓波動要小,且必須可靠;二是電網(wǎng)短路容量要大,否則在回饋期間,電源電壓偏低或電源被切斷,有源逆變器就會迅速直通,引起換流失敗,燒壞快速熔斷器及晶閘管元件。因此,對電網(wǎng)電壓波動較大(如帶有電爐負載的電網(wǎng)),或采用接觸式供電(如行車、機車車輛)的場合以采用動力制動為好,雖然浪費了一點電能,但可靠性大大提高。圖6 回饋單元
(3)直流公共母線
所謂直流公共母線是用一臺整流器給多臺逆變器供電如圖7所示,它利用工作在電動狀態(tài)的電動機吸收工作在發(fā)電狀態(tài)電動機的電能,但當發(fā)電狀態(tài)多于電動狀態(tài)時,吸收能力不足仍將引起直流過電壓,因此還需要有前面兩種方法之一(如圖7中虛線框所示)做后備吸收才較完美。
圖7 直流公共母線
4 結(jié)束語
通用型變頻器在異步電動機的調(diào)速系統(tǒng)中已得到了越來越廣泛的應用。為了滿足生產(chǎn)機械快速制動與準確停車等方面的要求,必須對異步電動機進行制動,而機械抱閘閘皮容易磨損,維護工作量大,而且浪費電能,因此一般是先進行電氣制動,最后才進行機械抱閘以達到準確停車的目的。因此本文以交流異步電動機的運行原理為基礎,著重介紹了采用變頻器供電的異步電動機的幾種方法與原理,指出了各種制動方法的優(yōu)缺點及適應場合,以供從事這方面工作的人員參考。
