变频器应用中制动问题的研究

1 引言

　　在变频器的使用中，经常遇到需要制动的场合，如大惯性负载的快速停车、势能负载的拖动、多级传动的同步控制及负载的突变等。如何根据负载情况选择制动方案经常让客户难以选择。本文针对此问题，对制动问题进行了比较深入的探讨。

2 制动问题的实质

　　制动问题的实质在于机械能转换为电能，电能储存在变频器的中间环节电解电容中，制动方案就是如何保证中间环节电解电容的电压不超过变频器允许的范围。因此，解决制动问题的方法有二：一是改变系统控制策略，避免电机出现机械能转换为电能，从源头上消除能量的持续累积;二是将不断积累的能量通过系统内部交换或者一定的渠道泻放掉，即采用共用直流母线、能耗制动或者再生回馈制动等策略。

3 解决制动问题的系统控制策略

　　（1） 加减速时间调整

　　对于单台大惯性负载，在加减速过程中，在没有添加制动单元的时候，容易出现动态过电压保护，在工艺许可的前提下，可以将加减速时间调节到在最重负载时，也不出现过电压的更长水平，保证一定的安全余量。一般变频器中，均有失速过电压保护功能，建议在无制动单元的时候，将此功能打开，可以避免加减速时间不合适造成的保护。

　　（2） 控制方式的改变

　　对于重负载，快速起制动的场合，可以将v/f控制的变频器更换为矢量控制变频器，要求更高的场合，可以采用加pg的矢量控制变频器，可以大大提高电机的驱动能力，保证电机速度与变频器频率的一致性，减少失速过电压的发生机会，并提高功率因数和运行效率，减少电机的发热。

　　（3） 控制功能的灵活应用

　　对于个别要求快速制动的场合，可以采用自由停车的方法外加机械抱闸来解决。下垂控制是解决同步和动态负荷分配的简单有效的控制方式。如造纸机械中压光机的控制。由于压光机中两个压辊的线速度客观上存在差异，会造成两者中间的一个长期处于发电状态，如果加工物料厚度或者前级的牵引力发生变化，则可能造成变频器的负载突变，容易出现过电流、过电压保护。有些厂家为了简单地解决问题，采用了将变频器功率加大一档或者两档的方法，表面上解决了问题，实际上电机长期处于过载和大转差运行状态，容易造成电机的烧毁。其实，一种简单的方法，就是采用下垂控制功能，动态调整转速，可以完全解决该问题。

　　另外，对于具有自动加减速功能或者avr（自动电压调整）功能的变频器来说，开放此功能，即可大大降低保护停车的概率。

　　（4） 动态负荷调整

　　对于动态变化的多级负载，如造纸、多级印刷机械的同步，冶金、化纤行业的牵伸生产等场合，均需要同步控制来动态控制电机的转速，以保证生产过程不出现断纸、断线等现象，从而保证产品的质量。在此过程中，被牵拉的电机工作在发电状态，需要制动电阻或者制动单元进行制动。同步控制方法很多，有模拟同步控制、数字开关量同步控制、通信或者现场总线控制等方法，将另文描述，此处重点说明几种动态负荷调整的方法。一是采用有pgv/f控制的过程速度pid控制或者有pg矢量控制，提高同步控制精度，可以有效克服负载扰动造成的速度波动;二是采用机械浮辊或者其他缓冲机构来克服动态扰动; 三是采用局部张力闭环调节。

　　（5） 运行命令时序问题

　　在许多系统中，稳态问题往往是比较易于解决的问题，而在启动和停车的过程中容易出现速度的快速变化，出现制动问题。例如张力控制中常见的卷染机、复卷机均属于此类问题。图1是复卷机较理想的控制时序图。对于造纸、印刷机械、化纤、冶金等生产线的控制，均有自己较为理想的控制时序。基本原则是，在启动和停车的过程中，避免出现负载的突变和速度的突变。

4 解决制动问题的主回路的几种连接方式

　　（1） 单台变频器制动

　　单台变频器制动的方式一般有三种，如图2所示。其中（a）、（b）均适用于非频繁制动的场合，对于小功率频繁制动的场合，在不考虑节能的情况下也可以采用。对于中大功率连续制动的场合，建议采用（c）的方案，可以节约大量电能。但是，要注意选用正弦回馈的逆变器，否则将对用户产生严重的干扰，特别是医院、影剧院等场合，会干扰医疗设备或者影响音响效果。

　　（2） 多台变频器局部公共直流母线

　　对于两台或者两台以上变频器运行的公共直流母线系统中，往往存在一部分变频器在电动运行和另外一部分在发电运行的情况。如果能够全部或者部分有选择的将电动与发电运行变频器的直流母线连接起来，可以保证发电制动的能量得到及时的利用，防止母线电压的上升，可以做到即节能、又环保，大大减小了制动组件或者回馈组件的功率，降低了整个系统的成本。

　　对于在一个控制系统当中，含有一个大功率变频器电动运行，含有一个小功率变频器（或者若干发电运行变频器）发电运行，并且前者功率与后者功率或者功率之和相差4个功率等级以上时，可以采用图3的方式连接，可以省掉制动单元，简化系统，降低成本。当两台及两台以上功率接近的变频器，存在部分电动运行，部分发电运行时，可以采用如图4所示的局部公共直流母线方案，在此方案中，母线并联必须串入快速熔断器来防止个别单元损坏后造成故障的进一步扩大。这里需要强调一点的是，快速熔断器的容量必须以对应变频器的容量作为选择依据。另外，由于不同厂家、不同功率的变频器母线电源上电的时序不同，为了安全，母线并联必须串入接触器，接触器的控制可由变频器中的准备好信号来控制，为了确保安全，通过调整准备好信号的延时，保证大功率变频器先于小功率变频器并联到公共直流母线上。emerson生产的td3000具有这样的功能。

　　（3） 多台全部公共直流母线

　　如果一个庞大的调速系统中，变频器分布分散，运行状况复杂的话，比较理想的方案就是采用集中整流加逆变器的方法更为理想和可靠。但是这种方法目前只有西门子、abb可以提供相应的产品，价格比较昂贵，替代难度大。图5是多台变频器公共直流母线的连接示意图。需要说明的是图4和图5的方法中的直流母线均需要添加制动组件或者回馈组件。如果图5中的整流单元采用scr或igbt的可控四象限整流，则不需要添加制动组件或者回馈组件。

5 各种制动方案的综合比较

　　各种制动方案综合比较表如附表所示。

6 结束语

　　以上通过对各种制动方式的分析，可以看出每种制动方式都有自己的优缺点，对于具体的工业应用现场，选用什么样的拓扑结构，必须做到具体问题具体分析。从长远看，随着功率半导体器件成本持续降低，采用具有可以逆变的四象限运行的变频器（含pwm整流）和无中间直流环节的矩阵式交交变频器将不仅彻底解决制动问题，而且可大大提高系统的功率因数和降低输入谐波，将成为未来绿色变频器的发展主流。