浅谈感应电动机回馈制动在变频器中的应用

　　感应电动机

 

　　感应电动机 ，又称“异步电动机”，是将转子置于旋转磁场中，在旋转磁场的作用下，获得一个转动力矩，因而转子转动的装置。转子是可转动的导体，通常多呈鼠笼状。由电气工程师尼古拉·特斯拉于1887年发明。词条介绍了感应电动机的概念、发明者、工作原理、基本结构、工作方式、制动方式、异步特征、规格以及故障检查。

 

　　通过定子产生的旋转磁场（其转速为同步转速n1）与转子绕组的相对运动，转子绕组切割磁感线产生感应电动势，从而使转子绕组中产生感应电流。转子绕组中的感应电流与磁场作用，产生电磁转矩，使转子旋转。由于当转子转速逐渐接近同步转速时，感应电流逐渐减小，所产生的电磁转矩也相应减小，当异步电动机工作在电动机状态时，转子转速小于同步转速。为了描述转子转速n与同步转速n1之间的差别，引入转差率（slip）。

 

　　基本结构

 

　　单相异步电机的基本结构

 

　　单相异步电动机就是只需单相交流电源供电的电动机 。单相异步电动机由定子、转子、轴承、机壳、端盖等构成。定子由机座和带绕组的铁心组成。铁心由硅钢片冲槽叠压而成，槽内嵌装两套空间互隔90°电角度的主绕组（也称运行绕组）和辅绕组（也称起动绕组成副绕组）。主绕组接交流电源，辅绕组串接离心开关S或起动电容、运行电容等之后，再接入电源。转子为笼型铸铝转子，它是将铁心叠压后用铝铸入铁心的槽中，并一起铸出端环，使转子导条短路成鼠笼型。

 

　　单相异步电动机又分为单相电阻起动异步电动机，单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机和单相双值电容异步电动机。

 

　　三相异步电机的基本结构

 

　　三相异步电动机主要有由定子和转子，轴承组成 。定子主要由铁心，三相绕组，机座，端盖组成。定子铁心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有绝缘层的硅钢片冲制、叠压而成，在铁心的内圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放定子绕组。三相绕组由三个在空间互隔120°电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。其作用是通入三相交流电，产生旋转磁场。机座通常为铸铁件，大型异步电动机机座一般用钢板焊成，微型电动机的机座采用铸铝件，其作用是固定定子铁心与前后端盖以支撑转子，并起防护、散热等作用。封闭式电机的机座外面有散热筋以增加散热面积，防护式电机的机座两端端盖开有通风孔，使电动机内外的空气可直接对流，以利于散热。端盖主要起固定转子，支撑和防护作用。转子主要由铁心和绕组组成。转子铁心所用材料与定子一样，由0.5毫米厚的硅钢片冲制、叠压而成，硅钢片外圆冲有均匀分布的孔，用来安置转子绕组。通常用定子铁心冲落后的硅钢片内圆来冲制转子铁心。一般小型异步电动机的转子铁心直接压装在转轴上，大、中型异步电动机（转子直径在300~400毫米以上）的转子铁心则借助与转子支架压在转轴上。转子绕组分为鼠笼式转子和绕线式转子。 （1）鼠笼式转子：转子绕组由插入转子槽中的多根导条和两个环行的端环组成。若去掉转子铁心，整个绕组的外形像一个鼠笼，故称笼型绕组。小型笼型电动机采用铸铝转子绕组，对于100KW以上的电动机采用铜条和铜端环焊接而成。鼠笼转子分为：阻抗型转子、单鼠笼型转子、双鼠笼型转子、深槽式转子几种，起动转矩等特性各有不同。 （2）绕线式转子：绕线转子绕组与定子绕组相似，也是一个对称的三相绕组，一般接成星形，三个出线头接到转轴的三个集流环上，再通过电刷与外电路联接。

 

　　工作方式

 

　　1 异步电动机起动方式

 

　　1.1 软起动

 

　　随着微型计算机控制技术的迅猛发展，在相关的控制工程领域中先后研制成功了一批电子式软起动控制器，广泛应用在电动机的起动过程，降压启动器随之被替代。当前电子式的软起动设施都使用的是晶闸管的调压电路，其电路构成如下所描述：晶闸管六只，两两反并联后串联至三相电源上，待系统发送起动信号后，微机控制起动器系统立即进行数据计算，令晶闸管输送触发信号，使晶闸管的导通角得到控制，根据给定的输出，调节输出电压，实现电动机的控制。该起动方式适合各种功率值的三相交流异步电动机包括六根和三根连接方式的起动控制。

 

　　1.2 直接起动

 

　　此种起动方式是电机起动方式中最基础最简单的，首先借助用刀开关使电动机与电网进行连接，此时在额定电压下电动机起动并运行起来，该方式特点为：投资少，设备简单、数量少，虽然起动时间短，但起动时的转矩较小，电流较大，比较适合应用在容量小的电动机起动。

 

　　1.3 降压起动

 

　　由于直接起动存在较大的缺点，降压起动随之产生。这种起动方式适用的起动环境为空载和轻载这两种情况，由于降压起动方式是在同时实现了限制起动转矩和起动电流的，因此起动工作结束后需要使工作的电路恢复到额定状态。

　　在一般的异步交流电动机传动中，电动机大都处于电动状态，电动机需要向电网吸收能量，但是由于负载的不同，在有些负载需要电动机快速制动，或者负载具有一定的位置势能时，异步电动机就有可能处于发电状态。如果电动机直接接到电网时，电机发出的电向电网回馈，但是这样对电网有较大的影响，如果电机由变频器拖动时，由于变频器有中间储能环节，其储能是有限的，故电机发电状态时对变频器有较大的威胁。变频器在处理电机的再生发电时，有多种制动方法，如能耗制动、储能制动、回馈制动等。对能耗制动方法，电机发出的电会白白的浪费，同时能耗电阻会经常损坏；储能制动方法中储能也是有限的，同样对变频器有威胁，能量回馈是处理再生发电的好方法，又是制动的好方法。它保证了变频器的安全、节约了能量、同时增强了电机的制动功能。本文将对能量回馈的技术问题作一些讨论。

　　• 简单的实施方案

　　系统结构如下图 1 所示，由 LC 滤波、逆变块 A 、母线电容 C 、逆变块 B 和逆变块 A 的控制系统组成。

　　电机一般工作在电动状态下，逆变块 A 作为整流用，在发电状态下，作为逆变回馈用，电机发电时，通过逆变块 B 中 IGBT 反并联的二极管整流，整流电压加在母线电容 C 上，如果发电功率较大时，母线电压就会上升，直接威胁到整个系统的安全，这样就需要启动逆变块 A 将多余的能量经过电感电容回馈到电网。电感将承受直流母线电压和电网线电压的差值，同时电感将缓冲谐波的无功功率。

　　图 1 系统结构

　　要完成回馈制动，需要完成三方面的工作： 1 ）检测电压何时开始回馈； 2 ）保持回馈制动时与电网同频同相； 3 ）回馈制动时限制回馈电流的大小。

　　2 ． 1 电压的检测

　　在电压检测中，主要检测直流母线电压和电网电压，检测电网电压时，一般需要考虑电网的波动，根据变频器的中间环节所能承受的直流电压，再利用回馈制动时，电网允许向上波动 +20 %，由此在直流电压检测时，在电压值为（1.2*√2）倍的电网线电压有效值时可以启动逆变块A工作，进入回馈制动状态。

　　2 ． 2 电网频率和相位检测

　　在回馈制动中，是否有效地回馈能量，关键是保证与电网同频、同相，并且回馈时要保证电网输出正电压时，输出负电流。其次，在回馈时要尽量选取电网线电压的高电压段，如图 2 所示，这样当回馈电流一定时可以获得较大的能量回馈功率。

　　图 2

　　设定逆变块 A 中的功率器件的开关状态要求与电网同步，同步信号如图 2 中（ B ）所示，下面是一种简单的同步信号控制方式，可以简单的得到 V1-V6 的同步方波脉冲。

　　图 3 同步信号检测

　　2 ． 3 回馈电流的控制

　　在回馈制动中，合理的控制回馈电流大小也是至关重要，回馈电流的大小必须满足能量回馈功率的要求，如果系统回馈功率小于电机在发电状态时的输出功率，在变频器的直流母线上电压就会继续升高。 由于电网电压是一定的，系统回馈功率的大小是由回馈电流的大小决定的。另外回馈电流的大小必须控制在所使用的 IGBT 的额定范围内。

　　回馈制动时，回馈电流变化速度较快，就需要采用有效的控制方式，一般采用滞环电流比较法控制，见如下框图 4 所示：

　　图 4 滞环电流比较法控制

　　• 工程应用

　　我们利用这种回馈制动方法在新疆玛纳斯县永安煤业有限公司安装了一台 380V75KW 提升负载的变频器，从现场应用看：

　　回馈制动时可达到 40A 左右的电流，变频器采用 滞环电流比较法 回馈制动的方式，母线电压比设定的基准电压高出多少即回馈多少，当高于 645V 时启动回馈制动，让能量回馈到电网从而保证了变频器安全工作。通过检测母线电压，看不到有较大的电压波动。回馈到电网波形比较好，采用适当的 LC 滤波 后，对电网基本造成不了污染，滤波效果较好。节能效果也明显，与工频比较，综合节电率约在 30% 左右。 75KW 的提升机用变频后可直接采用普通的鼠笼式电机拖动，可以平滑的进行调速，而可以不用绕线式电机，同时鼠笼式电机价格要比绕线式电机便宜 1/3 左右，因此可降低用户的投资费用，维护起来也比较方便。采用变频调速后，甩掉了原工频用的速度段切换交流接触器及调速电阻，使工人的操作环境大为改善，调速平滑，减轻了对电网及换挡的冲击，电流变化平稳，这是原工频状态所无法比拟的。

　　• 结束语

　　变频器如果所驱动的是提升机类负载，变频器应具备多种制动手段，回馈制动是重要的一种。我公司生产的风光牌提升机专用变频器上成功地应用了回馈制动，取得了很好的效果。回馈能量的波形必须好，回馈相位必须准确，否则回馈会对电网造成冲击，技术关键在于此．