调速变频器在实际工作中,往往是不间断的频繁的来改变電(diàn)机运转速度,启动和停机,这样的工作环境使得该工作電(diàn)路的電(diàn)流是不断变化和出现逆流電(diàn)压,如果不加以做出合理(lǐ)的電(diàn)路设计,往往会对控制设备起到不可(kě)逆转的损害!
由于变频调速具有(yǒu)调速的平滑性、范围大、启动電(diàn)流小(xiǎo)等优势,近年来在電(diàn)动机调速中的得到了广泛应用(yòng)。在生产中,诸如引风机这类惯性较大的设备,快速降频或停机,会导致变频器过電(diàn)压保护动作,造成设备频繁停机,本文(wén)将从三相异步電(diàn)动机和变频器的工作原理(lǐ)出发,简述制动電(diàn)阻在此类工业环境中的应用(yòng)。
1 三相异步電(diàn)动机的调速原理(lǐ)
三相异步電(diàn)动机通入三相交流電(diàn),产生旋转磁场,旋转磁场切割转子闭合导體(tǐ)产生感应電(diàn)流,转子電(diàn)流与定子磁场相互作用(yòng)产生電(diàn)磁力,带动转子旋转。我们定义同步转速是指旋转磁场的速度,用(yòng)n0表示;转子输出转速為(wèi)n;同步转速与转子转速的差值与磁场同步转速之比,称為(wèi)转差率s,f為(wèi)電(diàn)源频率,p為(wèi)電(diàn)机极对数。
同步转速:n0=60f/p,转差率:s=(n0-n)/n0,電(diàn)动机转速:n=60f/p(1-s)
由上式可(kě)知,改变電(diàn)源频率、极对数及转差率均可(kě)达到改变電(diàn)机转速的目的。然而在实际中,普通電(diàn)机一经出厂,极对数及转差率即固定不变,实现无级调速,只能(néng)改变電(diàn)源的频率。
1 变频器结构原理(lǐ)
1.1 变频器由主電(diàn)路和控制電(diàn)路组成
主電(diàn)路是電(diàn)源频率变换部分(fēn),主要由三部分(fēn)组成。包括将工频变换為(wèi)直流功率的“整流器”、吸收電(diàn)压脉动的“滤波回路”、以及将直流变换為(wèi)交流的“逆变器”。控制電(diàn)路是给主電(diàn)路提供控制信号的回路,它包括运算、检测、速度检测、驱动、保护等電(diàn)路组成。
1.2 重点介绍变频器的主回路工作原理(lǐ)
1.2.1 整流電(diàn)路 VD1-VD6组成三相桥式全波整流電(diàn)路。
1.2.1 滤波電(diàn)路。整流后的電(diàn)压為(wèi)脉动電(diàn)压,滤波電(diàn)容Cl起滤波作用(yòng)。由于储能(néng)電(diàn)容较大,接入電(diàn)源时電(diàn)容两端電(diàn)压為(wèi)0,因而在上電(diàn)瞬间滤波電(diàn)容Cl的充電(diàn)電(diàn)流很(hěn)大,过大的電(diàn)流会损坏整流管,為(wèi)限制充電(diàn)電(diàn)流在整流桥上電(diàn)瞬间串入充電(diàn)電(diàn)阻Rs,当Cl充電(diàn)到一定程度时由旁路开关Ks将Rs短路。
1.2.3 逆变電(diàn)路。V1-V6组成的逆变桥将直流電(diàn)逆变成频率、幅值都可(kě)调的交流電(diàn)。续流二极管D1-D6為(wèi)无功電(diàn)流返回到直流電(diàn)源提供通道;当電(diàn)机处于制动状态时,再生電(diàn)能(néng)通过D1-D6返回直流回路;V1-V6进行逆变过程是同一桥臂两个逆变管交替导通和截止,在换相过程中也需要D1-D6提供通路。
1.2.4 储能(néng)、制动電(diàn)路。由于逆变管V1-V6每次由导通切换到截止状态的瞬间,C极和E极间的電(diàn)压由近乎0V上升到直流電(diàn)压值UD,过高的電(diàn)压可(kě)能(néng)损坏逆变管,储能(néng)電(diàn)容C1、C2的作用(yòng)便是降低V1-V6关断时的電(diàn)压增長(cháng)率;電(diàn)机在减速时转子的转速可(kě)能(néng)超过此时的同步转速而处于发電(diàn)状态,系统的动能(néng)将回馈到母線(xiàn)上致電(diàn)压升高,甚至可(kě)能(néng)损坏变频器,制动電(diàn)阻Rb就是用(yòng)来消耗这部分(fēn)能(néng)量的。
2. 三相异步電(diàn)动机的调速原理(lǐ)
三相异步電(diàn)动机通入三相交流電(diàn),产生旋转磁场,旋转磁场切割转子闭合导體(tǐ)产生感应電(diàn)流,转子電(diàn)流与定子磁场相互作用(yòng)产生電(diàn)磁力,带动转子旋转。我们定义同步转速是指旋转磁场的速度,用(yòng)n0表示;转子输出转速為(wèi)n;同步转速与转子转速的差值与磁场同步转速之比,称為(wèi)转差率s,f為(wèi)電(diàn)源频率,p為(wèi)電(diàn)机极对数。
同步转速:n0=60f/p,转差率:s=(n0-n)/n0,電(diàn)动机转速:n=60f/p(1-s)
由上式可(kě)知,改变電(diàn)源频率、极对数及转差率均可(kě)达到改变電(diàn)机转速的目的。然而在实际中,普通電(diàn)机一经出厂,极对数及转差率即固定不变,实现无级调速,只能(néng)改变電(diàn)源的频率。
3 電(diàn)机回馈能(néng)量的产生及变频器制动单元的作用(yòng)
在引风机变频调速中,当工艺要求实现電(diàn)机快速减速和停机时候,電(diàn)机的同步转速随着变频器输出频率随之下降,但由于此类负载惯性较大,電(diàn)机的转子转速并不能(néng)随之马上降低。当同步转速小(xiǎo)于转子转速时,输出到電(diàn)机轴的转矩变成了制动转矩,使電(diàn)机的转速下降,此时電(diàn)机变成发電(diàn)状态,再生電(diàn)能(néng)回馈到直流電(diàn)路。由于直流電(diàn)路的電(diàn)能(néng)无法回馈到電(diàn)网,仅靠变频器内部功率有(yǒu)限的電(diàn)阻吸收是不够的,電(diàn)荷堆积使電(diàn)压不断上升,过高的電(diàn)压将损坏内部元件。為(wèi)保证变频器安全,内部的过压保护会动作,造成变频器停机。维持在此类工业环境中变频器稳定运行,必须将電(diàn)动机发電(diàn)制动状中回馈的電(diàn)能(néng)消耗掉。
通过在变频器直流母線(xiàn)上加装制动電(diàn)阻单元,将再生電(diàn)能(néng)以热能(néng)形式消耗掉来实现转速快速降低或停車(chē)。它包括制动单元和制动電(diàn)阻两部分(fēn)。制动单元的功能(néng)是当直流回路的電(diàn)压UD超过规定的限值时接通制动電(diàn)阻,使電(diàn)能(néng)通过電(diàn)阻以热能(néng)方式释放。制动電(diàn)阻单元可(kě)分(fēn)内置式和外置式两种。前者是适用(yòng)于小(xiǎo)功率的通用(yòng)变频器,即图1中虚線(xiàn)框所示部分(fēn);由于变频器内部空间狭小(xiǎo),散热条件有(yǒu)限等原因,后者则是适用(yòng)于较大功率变频器或是对制动有(yǒu)特殊要求的工况中。
当工况变化时,電(diàn)机处于发電(diàn)状态运行,能(néng)量反馈回直流回路,使母線(xiàn)電(diàn)压升高达到制动单元导通值时,電(diàn)流流过制动電(diàn)阻以热能(néng)形式消耗,電(diàn)机的转速降低,母線(xiàn)電(diàn)压也降低;当母線(xiàn)電(diàn)压降至制动单元要关断的值,制动单元的功率管截止,制动電(diàn)阻无電(diàn)流流过;制动单元通过不断重复导通和关断过程,平衡母線(xiàn)電(diàn)压,保证系统正常运行。
4 制动電(diàn)阻单元在生产中的应用(yòng)
某煤化工厂,闪蒸汽回收需要用(yòng)到两台引风机,配置两台18.5kW变频電(diàn)机,通过两台变频器控制转速。在使用(yòng)中,由于入口压力不稳定,為(wèi)保证生产稳定,变频器输出频率处于一个较宽的变化范围,经常需要快速降频,由于该变频器容量较大,且属于惯性负载,变频器的迅速降频,导致变频器直流母線(xiàn)极短时间内形成泵升電(diàn)压超允许值,保护动作,变频器频繁停机,无法保证稳定运行,给生产带来严了重影响。通过加装制动单元和制动電(diàn)阻后,解决了这一生产难题。
通过加装制动電(diàn)阻单元,使回馈電(diàn)能(néng)以热能(néng)的形式消耗在制动電(diàn)阻上,从而解决了变频器在驱动较大惯性负载,迅速降频或快速停車(chē)导致的保护动作给生产带来的不稳定。使变频调速更為(wèi)广泛的应用(yòng)到工业生产中。
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