第三节 变频器的制动方式

一、变频器的再生制动

电压型的交-直-交通用变频器，对三相交流电源进行不可控桥式整流，再经电解电容滤波稳压，最后由无源逆变环节输出频率可调的交流电供给电动机。这种通用型变频器用于矿用提升机、轧钢机、大型龙门刨床、卷绕机及机床主轴驱动等系统时，由于要求电动机四象限运行，所以当电动机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电动机将处于再生发电状态。

当变频器输出频率降低时，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的作用，这时同步转速可能小于转子转速，电动机从电动状态转变为发电状态，处于再生制动状态。由图1-3可见，电动机再生的电能经并联在V1～V6上的续流二极管全波整流后反馈到直流电路，使电容器C1和C2两端电压升高，形成“泵升电压”。过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至破坏电动机的绝缘。为使系统在发电制动状态能正常工作，必须采取适当的制动方式。

1.能量消耗型

这种制动方法是在变频器直流电路中并联制动单元和制动电阻，通过检测直流母线上的电压来控制制动单元IGBT的导通与否，从而实现制动电阻的接入和断开，如图2-1所示，点划线框内是制动单元，DR是制动电阻。当直流母线上的电压，即电容器C两端的电压达到或超过门槛电压（例如700V）时，IGBT导通，制动电阻DR接入电路，再生能量在制动电阻上以热能的形式被消耗掉，从而防止直流电压的上升。由于再生能量未能得到利用，因此属于能量消耗型。当直流母线上的电压低于门槛电压时，制动过程结束。

2.并联直流母线吸收型

适用于多台电动机传动系统，在这种系统中，每台电动机配置一台变频器，所有变频器的逆变单元都并联在一对共用直流母线上。系统中往往有一台或数台电动机工作于制动状态，处于制动状态的电动机产生再生能量，这些能量通过并联于直流母线上处于电动状态的电动机所吸收。在不能完全吸收的情况下，则通过共用的制动单元控制，使未被完全吸收的再生能量消耗在制动电阻上。这种方式有部分再生能量被吸收利用，具有一定的节能效益。

3.能量回馈型

能量回馈型变频调速系统要求变频器网侧变流器是可逆的。当有再生能量产生时，可逆变流器将再生能量回馈给电网，使再生能量得以完全利用。但这种方法对电源的稳定性要求较高。

图2-1 制动单元与制动电阻

二、变频器的直流制动

所谓“直流制动”，一般指当变频器的输出频率接近为零，电动机的转速降低到一定数值时，变频器输出直流至异步电动机的定子绕组。由于异步电动机的定子绕组因直流电流而形成静止磁场，转动着的转子切割该静止磁场而产生制动转矩，此时电动机处于能耗制动状态使旋转的转子存储的动能转换成电能，以热损耗的形式消耗于异步电动机的转子回路中，从而使电动机迅速停止。采用直流制动的变频调速系统，仍应在变频器直流环节接入制动单元和制动电阻。

实现变频调速系统的直流制动，应对变频器的相关功能参数进行设置。

三、变频器电容反馈制动

上面介绍了通用变频器传动系统中对再生能量的常用的处理方法，即能耗制动法和能量回馈法等。前者利用设置在变频器直流回路中的制动单元控制制动电阻吸收再生电能，即所谓能耗制动。这种方法的优点是结构简单，成本低廉，缺点是运行效率低，产生的热量大，使变频器的运行环境劣化。后者可将再生电能回馈至电网，且回馈电能的电压、频率、相位与电网相同。优点是运行效率高，且能四象限运行；缺点是对电网的运行稳定性要求较高，即只能应用于不易发生故障的稳定电网，另外再生能量回馈电网时，对电网有谐波污染，同时，回馈制动的控制技术复杂，成本较高。

这里介绍的电容反馈制动是在电阻制动的基础上使一部分再生能量得到利用的一种控制方式。有较高的能源利用率。

电容反馈制动的充电反馈回路是采用可逆晶闸管斩波器实现的，其主电路如图2-2所示。整流部分是由普通二极管VD1～VD6构成的不可控整流桥电路；电解电容C1、C2是滤波元件；S1是由晶闸管组成的延时开关，变频器通电瞬间断开，待电容器C1、C2充电至一定幅度时导通，用于限制变频器通电瞬间过大的充电涌流；由IGBT功率模块V1、V2、充电反馈电抗器L及法拉级大容量电解电容器C构成充电、反馈回路；逆变部分由IGBT功率模块V5～V10组成。

图2-2 电容反馈制动电路

控制电路对输入交流电压和直流电路电压实时进行监控，并决定是否向V1发出充电信号。当变频调速系统的电动机工作在发电运行状态，输入交流电压以及所对应的直流电压达到设定值时（例如交流380V和直流530V。直流530V是交流380V输入电压经三相桥整流后的电压峰值，变频器驱动电动机运行在电动状态时，通常只能达到平均值，低于直流530V），控制电路使V3关断，V1导通，发电状态的再生能量对电解电容器C进行充电，此时电抗器L与电解电容器C分压，从而确保电解电容器C工作在安全电压范围内。当电容器C上电压达到设定值（例如直流370V），而系统仍处于发电状态时，控制电路使V4导通，启动制动单元，通过制动电阻DR实现能耗制动，消耗多余的能量。

电动机运行在电动状态时，控制电路通过对电容器C上的电压以及直流回路电压的检测，控制功率模块V3的开关频率及占空比，使电抗器L上形成一个瞬时左正、右负的电压，再加上电容器C上的电压，就能实现从电容器到直流回路的能量反馈过程，并控制反馈电流，确保直流电路电压不出现过高值。