淺談感應(yīng)電動機回饋制動在變頻器中的應(yīng)用

感應(yīng)電動機

感應(yīng)電動機 ，又稱“異步電動機”，是將轉(zhuǎn)子置于旋轉(zhuǎn)磁場中，在旋轉(zhuǎn)磁場的作用下，獲得一個轉(zhuǎn)動力矩，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的裝置。轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動的導(dǎo)體，通常多呈鼠籠狀。由電氣工程師尼古拉·特斯拉于1887年發(fā)明。詞條介紹了感應(yīng)電動機的概念、發(fā)明者、工作原理、基本結(jié)構(gòu)、工作方式、制動方式、異步特征、規(guī)格以及故障檢查。

通過定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場（其轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速n1）與轉(zhuǎn)子繞組的相對運動，轉(zhuǎn)子繞組切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而使轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電流。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電流與磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。由于當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸接近同步轉(zhuǎn)速時，感應(yīng)電流逐漸減小，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小，當(dāng)異步電動機工作在電動機狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速。為了描述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速n1之間的差別，引入轉(zhuǎn)差率（slip）。

基本結(jié)構(gòu)

單相異步電機的基本結(jié)構(gòu)

單相異步電動機就是只需單相交流電源供電的電動機 。單相異步電動機由定子、轉(zhuǎn)子、軸承、機殼、端蓋等構(gòu)成。定子由機座和帶繞組的鐵心組成。鐵心由硅鋼片沖槽疊壓而成，槽內(nèi)嵌裝兩套空間互隔90°電角度的主繞組（也稱運行繞組）和輔繞組（也稱起動繞組成副繞組）。主繞組接交流電源，輔繞組串接離心開關(guān)S或起動電容、運行電容等之后，再接入電源。轉(zhuǎn)子為籠型鑄鋁轉(zhuǎn)子，它是將鐵心疊壓后用鋁鑄入鐵心的槽中，并一起鑄出端環(huán)，使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條短路成鼠籠型。

單相異步電動機又分為單相電阻起動異步電動機，單相電容起動異步電動機、單相電容運轉(zhuǎn)異步電動機和單相雙值電容異步電動機。

三相異步電機的基本結(jié)構(gòu)

三相異步電動機主要有由定子和轉(zhuǎn)子，軸承組成 。定子主要由鐵心，三相繞組，機座，端蓋組成。定子鐵心一般由0.35~0.5毫米厚表面具有絕緣層的硅鋼片沖制、疊壓而成，在鐵心的內(nèi)圓沖有均勻分布的槽，用以嵌放定子繞組。三相繞組由三個在空間互隔120°電角度、隊稱排列的結(jié)構(gòu)完全相同繞組連接而成，這些繞組的各個線圈按一定規(guī)律分別嵌放在定子各槽內(nèi)。其作用是通入三相交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。機座通常為鑄鐵件，大型異步電動機機座一般用鋼板焊成，微型電動機的機座采用鑄鋁件，其作用是固定定子鐵心與前后端蓋以支撐轉(zhuǎn)子，并起防護(hù)、散熱等作用。封閉式電機的機座外面有散熱筋以增加散熱面積，防護(hù)式電機的機座兩端端蓋開有通風(fēng)孔，使電動機內(nèi)外的空氣可直接對流，以利于散熱。端蓋主要起固定轉(zhuǎn)子，支撐和防護(hù)作用。轉(zhuǎn)子主要由鐵心和繞組組成。轉(zhuǎn)子鐵心所用材料與定子一樣，由0.5毫米厚的硅鋼片沖制、疊壓而成，硅鋼片外圓沖有均勻分布的孔，用來安置轉(zhuǎn)子繞組。通常用定子鐵心沖落后的硅鋼片內(nèi)圓來沖制轉(zhuǎn)子鐵心。一般小型異步電動機的轉(zhuǎn)子鐵心直接壓裝在轉(zhuǎn)軸上，大、中型異步電動機（轉(zhuǎn)子直徑在300~400毫米以上）的轉(zhuǎn)子鐵心則借助與轉(zhuǎn)子支架壓在轉(zhuǎn)軸上。轉(zhuǎn)子繞組分為鼠籠式轉(zhuǎn)子和繞線式轉(zhuǎn)子。 （1）鼠籠式轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子繞組由插入轉(zhuǎn)子槽中的多根導(dǎo)條和兩個環(huán)行的端環(huán)組成。若去掉轉(zhuǎn)子鐵心，整個繞組的外形像一個鼠籠，故稱籠型繞組。小型籠型電動機采用鑄鋁轉(zhuǎn)子繞組，對于100KW以上的電動機采用銅條和銅端環(huán)焊接而成。鼠籠轉(zhuǎn)子分為：阻抗型轉(zhuǎn)子、單鼠籠型轉(zhuǎn)子、雙鼠籠型轉(zhuǎn)子、深槽式轉(zhuǎn)子幾種，起動轉(zhuǎn)矩等特性各有不同。 （2）繞線式轉(zhuǎn)子：繞線轉(zhuǎn)子繞組與定子繞組相似，也是一個對稱的三相繞組，一般接成星形，三個出線頭接到轉(zhuǎn)軸的三個集流環(huán)上，再通過電刷與外電路聯(lián)接。

工作方式

1 異步電動機起動方式

1.1 軟起動

隨著微型計算機控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，在相關(guān)的控制工程領(lǐng)域中先后研制成功了一批電子式軟起動控制器，廣泛應(yīng)用在電動機的起動過程，降壓啟動器隨之被替代。當(dāng)前電子式的軟起動設(shè)施都使用的是晶閘管的調(diào)壓電路，其電路構(gòu)成如下所描述：晶閘管六只，兩兩反并聯(lián)后串聯(lián)至三相電源上，待系統(tǒng)發(fā)送起動信號后，微機控制起動器系統(tǒng)立即進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，令晶閘管輸送觸發(fā)信號，使晶閘管的導(dǎo)通角得到控制，根據(jù)給定的輸出，調(diào)節(jié)輸出電壓，實現(xiàn)電動機的控制。該起動方式適合各種功率值的三相交流異步電動機包括六根和三根連接方式的起動控制。

1.2 直接起動

此種起動方式是電機起動方式中最基礎(chǔ)最簡單的，首先借助用刀開關(guān)使電動機與電網(wǎng)進(jìn)行連接，此時在額定電壓下電動機起動并運行起來，該方式特點為：投資少，設(shè)備簡單、數(shù)量少，雖然起動時間短，但起動時的轉(zhuǎn)矩較小，電流較大，比較適合應(yīng)用在容量小的電動機起動。

1.3 降壓起動

由于直接起動存在較大的缺點，降壓起動隨之產(chǎn)生。這種起動方式適用的起動環(huán)境為空載和輕載這兩種情況，由于降壓起動方式是在同時實現(xiàn)了限制起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的，因此起動工作結(jié)束后需要使工作的電路恢復(fù)到額定狀態(tài)。

在一般的異步交流電動機傳動中，電動機大都處于電動狀態(tài)，電動機需要向電網(wǎng)吸收能量，但是由于負(fù)載的不同，在有些負(fù)載需要電動機快速制動，或者負(fù)載具有一定的位置勢能時，異步電動機就有可能處于發(fā)電狀態(tài)。如果電動機直接接到電網(wǎng)時，電機發(fā)出的電向電網(wǎng)回饋，但是這樣對電網(wǎng)有較大的影響，如果電機由變頻器拖動時，由于變頻器有中間儲能環(huán)節(jié)，其儲能是有限的，故電機發(fā)電狀態(tài)時對變頻器有較大的威脅。變頻器在處理電機的再生發(fā)電時，有多種制動方法，如能耗制動、儲能制動、回饋制動等。對能耗制動方法，電機發(fā)出的電會白白的浪費，同時能耗電阻會經(jīng)常損壞；儲能制動方法中儲能也是有限的，同樣對變頻器有威脅，能量回饋是處理再生發(fā)電的好方法，又是制動的好方法。它保證了變頻器的安全、節(jié)約了能量、同時增強了電機的制動功能。本文將對能量回饋的技術(shù)問題作一些討論。

? 簡單的實施方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖 1 所示，由 LC 濾波、逆變塊 A 、母線電容 C 、逆變塊 B 和逆變塊 A 的控制系統(tǒng)組成。

電機一般工作在電動狀態(tài)下，逆變塊 A 作為整流用，在發(fā)電狀態(tài)下，作為逆變回饋用，電機發(fā)電時，通過逆變塊 B 中 IGBT 反并聯(lián)的二極管整流，整流電壓加在母線電容 C 上，如果發(fā)電功率較大時，母線電壓就會上升，直接威脅到整個系統(tǒng)的安全，這樣就需要啟動逆變塊 A 將多余的能量經(jīng)過電感電容回饋到電網(wǎng)。電感將承受直流母線電壓和電網(wǎng)線電壓的差值，同時電感將緩沖諧波的無功功率。

圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

要完成回饋制動，需要完成三方面的工作： 1 ）檢測電壓何時開始回饋； 2 ）保持回饋制動時與電網(wǎng)同頻同相； 3 ）回饋制動時限制回饋電流的大小。

2 ． 1 電壓的檢測

在電壓檢測中，主要檢測直流母線電壓和電網(wǎng)電壓，檢測電網(wǎng)電壓時，一般需要考慮電網(wǎng)的波動，根據(jù)變頻器的中間環(huán)節(jié)所能承受的直流電壓，再利用回饋制動時，電網(wǎng)允許向上波動 +20 %，由此在直流電壓檢測時，在電壓值為（1.2*√2）倍的電網(wǎng)線電壓有效值時可以啟動逆變塊A工作，進(jìn)入回饋制動狀態(tài)。

2 ． 2 電網(wǎng)頻率和相位檢測

在回饋制動中，是否有效地回饋能量，關(guān)鍵是保證與電網(wǎng)同頻、同相，并且回饋時要保證電網(wǎng)輸出正電壓時，輸出負(fù)電流。其次，在回饋時要盡量選取電網(wǎng)線電壓的高電壓段，如圖 2 所示，這樣當(dāng)回饋電流一定時可以獲得較大的能量回饋功率。

圖 2

設(shè)定逆變塊 A 中的功率器件的開關(guān)狀態(tài)要求與電網(wǎng)同步，同步信號如圖 2 中（ B ）所示，下面是一種簡單的同步信號控制方式，可以簡單的得到 V1-V6 的同步方波脈沖。

圖 3 同步信號檢測

2 ． 3 回饋電流的控制

在回饋制動中，合理的控制回饋電流大小也是至關(guān)重要，回饋電流的大小必須滿足能量回饋功率的要求，如果系統(tǒng)回饋功率小于電機在發(fā)電狀態(tài)時的輸出功率，在變頻器的直流母線上電壓就會繼續(xù)升高。 由于電網(wǎng)電壓是一定的，系統(tǒng)回饋功率的大小是由回饋電流的大小決定的。另外回饋電流的大小必須控制在所使用的 IGBT 的額定范圍內(nèi)。

回饋制動時，回饋電流變化速度較快，就需要采用有效的控制方式，一般采用滯環(huán)電流比較法控制，見如下框圖 4 所示：

圖 4 滯環(huán)電流比較法控制

? 工程應(yīng)用

我們利用這種回饋制動方法在新疆瑪納斯縣永安煤業(yè)有限公司安裝了一臺 380V75KW 提升負(fù)載的變頻器，從現(xiàn)場應(yīng)用看：

回饋制動時可達(dá)到 40A 左右的電流，變頻器采用 滯環(huán)電流比較法 回饋制動的方式，母線電壓比設(shè)定的基準(zhǔn)電壓高出多少即回饋多少，當(dāng)高于 645V 時啟動回饋制動，讓能量回饋到電網(wǎng)從而保證了變頻器安全工作。通過檢測母線電壓，看不到有較大的電壓波動?；仞伒诫娋W(wǎng)波形比較好，采用適當(dāng)?shù)?LC 濾波 后，對電網(wǎng)基本造成不了污染，濾波效果較好。節(jié)能效果也明顯，與工頻比較，綜合節(jié)電率約在 30% 左右。 75KW 的提升機用變頻后可直接采用普通的鼠籠式電機拖動，可以平滑的進(jìn)行調(diào)速，而可以不用繞線式電機，同時鼠籠式電機價格要比繞線式電機便宜 1/3 左右，因此可降低用戶的投資費用，維護(hù)起來也比較方便。采用變頻調(diào)速后，甩掉了原工頻用的速度段切換交流接觸器及調(diào)速電阻，使工人的操作環(huán)境大為改善，調(diào)速平滑，減輕了對電網(wǎng)及換擋的沖擊，電流變化平穩(wěn)，這是原工頻狀態(tài)所無法比擬的。

? 結(jié)束語

變頻器如果所驅(qū)動的是提升機類負(fù)載，變頻器應(yīng)具備多種制動手段，回饋制動是重要的一種。我公司生產(chǎn)的風(fēng)光牌提升機專用變頻器上成功地應(yīng)用了回饋制動，取得了很好的效果?；仞伳芰康牟ㄐ伪仨毢?，回饋相位必須準(zhǔn)確，否則回饋會對電網(wǎng)造成沖擊，技術(shù)關(guān)鍵在于此．