變頻三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)分析

門大勇

● （中交第一航務(wù)工程局第二工程有限公司，山東青島 266071）

變頻三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)分析

門大勇

● （中交第一航務(wù)工程局第二工程有限公司，山東青島 266071）

對(duì)三相交流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)種類做了介紹和分析，重點(diǎn)分析了由變頻器驅(qū)動(dòng)的三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)原理并列舉了應(yīng)用實(shí)例。

電動(dòng)機(jī)；制動(dòng)；變頻器；制動(dòng)電阻

0 前言

1 三相交流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)種類

三相交流電動(dòng)機(jī)大量應(yīng)用于工業(yè)、民用領(lǐng)域，近年來隨著變頻調(diào)速控制技術(shù)愈加成熟，三相交流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用更加靈活高效。中交第一航務(wù)工程局第二工程有限公司于2005年、2006年相繼改造了2艘打樁船“打樁19”、“打樁 20”，大量應(yīng)用了三相交流異步電動(dòng)機(jī)，其中的起重系統(tǒng)更是引進(jìn)了國內(nèi)外比較先進(jìn)的變頻控制，其平滑的無級(jí)調(diào)速、較高的機(jī)械效率、較低的噪聲污染等等優(yōu)勢(shì)逐漸被行業(yè)內(nèi)所青睞。

然而在起重應(yīng)用中，較為人所不解的是電動(dòng)機(jī)在拖動(dòng)位能性負(fù)載（即拖動(dòng)高空重物）時(shí)，如何控制電動(dòng)機(jī)本身以勻速下降的，電動(dòng)機(jī)會(huì)不會(huì)飛車，重物會(huì)不會(huì)失去控制以自由落體的方式落向地面等等問題。本文介紹了三相交流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)種類，重點(diǎn)分析了由變頻器驅(qū)動(dòng)的三相交流異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)原理。

三相交流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)是起動(dòng)的逆過程，制動(dòng)就是使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n反向，即T起反抗運(yùn)動(dòng)的作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速迅速降為零的過程或者使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而使電動(dòng)機(jī)的下降轉(zhuǎn)速保持恒定。

三相交流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法有能耗制動(dòng)，反接制動(dòng)，回饋制動(dòng)三種。

1.1 能耗制動(dòng)

如圖1所示，三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組切斷三相交流電源后（1K斷開），同時(shí)，在定子繞組任意兩相上接入直流電流I（也稱直流勵(lì)磁電流），即接通開關(guān)2K，從而在電機(jī)內(nèi)形成一個(gè)不旋轉(zhuǎn)的空間位置固定的磁通勢(shì)F，最大幅值為Fm。在三相交流電源切斷后的瞬間，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由于機(jī)械慣性其轉(zhuǎn)速n不能突變，而繼續(xù)維持原逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，直流電流I產(chǎn)生的空間固定不轉(zhuǎn)的磁通勢(shì)F相對(duì)于旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子是一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁通勢(shì)；旋轉(zhuǎn)方向?yàn)轫槙r(shí)針，轉(zhuǎn)速大小為n。這種相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致了轉(zhuǎn)子繞組有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E2，并產(chǎn)生電流I2和電磁轉(zhuǎn)矩T，根據(jù)左手定則可知，T的方向與磁通勢(shì)F相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向是一樣的，但與轉(zhuǎn)速n的方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，直到轉(zhuǎn)速n=0時(shí)，磁通勢(shì)F與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止，E2=0，I2=0，T=0，減速過程結(jié)束，電動(dòng)機(jī)將停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了快速制動(dòng)停車。如果負(fù)載是反抗性負(fù)載，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n=0將停車。如果負(fù)載是位能性負(fù)載，則電機(jī)轉(zhuǎn)速n=0時(shí)必須立即用機(jī)械抱閘，將電機(jī)軸剎住停車。

圖1 能耗制動(dòng)接線圖

由于制動(dòng)過程，轉(zhuǎn)軸的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能消耗在轉(zhuǎn)子回路的電阻上，因此稱為能耗制動(dòng)。如果是三相交流異步電動(dòng)機(jī)，由于轉(zhuǎn)子無法串電阻，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能完全消耗在轉(zhuǎn)子繞組上，會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈過熱。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)切斷三相交流電源，接入直流電流I時(shí)的等值電路如圖2所示。它是轉(zhuǎn)子繞組相數(shù)、匝數(shù)、繞組系數(shù)及轉(zhuǎn)子電路的頻率都折合到定子邊界的結(jié)果。

圖2 能耗制動(dòng)的等值電路

三相交流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性如圖 3所示（T為轉(zhuǎn)矩，n為轉(zhuǎn)速，n1為同步轉(zhuǎn)速），圖中曲線1為直流電流為I，轉(zhuǎn)子串入電阻R=0時(shí)的特性；曲線2為直流電流為I，轉(zhuǎn)子串入電阻R≠0時(shí)的特性；曲線3為直流電流為I′(I′>I)，轉(zhuǎn)子串入電阻R=0時(shí)的特性；曲線4為電機(jī)運(yùn)行的固有特性。

三相交流電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，采用能耗制動(dòng)停車，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)如圖4所示。即A→B→0。改變直流電流I的大小而改變制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，從而改變制動(dòng)時(shí)間的大小。

圖3 能耗制動(dòng)的機(jī)械特性

圖4 能耗制動(dòng)過程

能耗制動(dòng)廣泛應(yīng)用于要求平穩(wěn)準(zhǔn)確停車的場(chǎng)合。也可用于起重機(jī)一類帶位能性負(fù)載的機(jī)械限制重物下放的速度，使重物保持勻速下降，只需改變直流電流I的大?。ㄕ{(diào)節(jié)電位器RP）或改變轉(zhuǎn)子回路串電阻R值，則可以達(dá)到目的。

1.2 反接制動(dòng)

三相交流電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)分為定子電源反接的反接制動(dòng)和倒拉反接制動(dòng)兩種。

1）定子電源反接的反接制動(dòng)

三相交流電動(dòng)機(jī)處于正常電動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)改變?nèi)嚯娫吹南嘈驎r(shí)，如圖5電路接線圖中1K斷開，2K閉合則改變了電源相序，電動(dòng)機(jī)便進(jìn)入了反接制動(dòng)過程。由于電源相序改變，圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)反向，而轉(zhuǎn)子不可能立即改變轉(zhuǎn)向，因而轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)反向，電流反向，則電磁轉(zhuǎn)矩也反向，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電動(dòng)轉(zhuǎn)速迅速下降，直到轉(zhuǎn)速n=0，電機(jī)將停轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了快速制動(dòng)停車。

三相交流電動(dòng)機(jī)的固有特性如圖6所示的曲線1。當(dāng)定子兩相反接時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)改變方向，則同步轉(zhuǎn)速為-n1，轉(zhuǎn)差率s=(-n1-n)/(-n1)=(n1+n)/n1>1，反接制動(dòng)機(jī)械特性變?yōu)榍€2。根據(jù)三相交流電動(dòng)機(jī)等值電路中表示機(jī)械負(fù)載的附加電阻(1-s)r2′/s<0，則機(jī)械功率為Pj=3I2′2(1-s)r2′/s<0，即負(fù)載向電動(dòng)機(jī)內(nèi)輸入機(jī)械功率。而定子傳遞到轉(zhuǎn)子的電磁功率為Pm=3I2′2r2′/s>0，表明定子仍向電源吸收電功率，再由定子向轉(zhuǎn)子傳遞電磁功率。以上表明轉(zhuǎn)子回路的銅損耗來自定子吸收電源的電功率和負(fù)載送入的機(jī)械功率，這個(gè)數(shù)值很大。若不在轉(zhuǎn)子回路串入較大的電阻器，轉(zhuǎn)子銅損耗將無法消耗，將導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組過熱而損壞，因此，電機(jī)轉(zhuǎn)子回路必須串入大電阻R，此時(shí)，反接制動(dòng)的機(jī)械特性為曲線3。

圖5 定子電源反接的反接制動(dòng)

圖6 反接制動(dòng)的機(jī)械特性和制動(dòng)過程

三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)工作于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，開關(guān)1K閉合2K斷開。當(dāng)電機(jī)定子電源反接時(shí)，開關(guān)1K斷開2K閉合，同時(shí)轉(zhuǎn)子回路串入大電阻，即3K斷開，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)為A→B′→C′，使得電動(dòng)機(jī)快速停車。如果電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)較小的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，并采用定子電源反接的反接制動(dòng)停車，那么必須當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n=0時(shí)切斷電源并停車，否則電動(dòng)機(jī)將反向起動(dòng)到D′點(diǎn)。

定子電源反接的反接制動(dòng)廣泛用于要求迅速停車和需要反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，多用于三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)中。對(duì)于三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子回路無法串電阻，則反接制動(dòng)只能用于不頻繁制動(dòng)的場(chǎng)合。

2）倒拉反接制動(dòng)

倒拉反接制動(dòng)狀態(tài)指三相繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路上串入較大電阻，使機(jī)械特性變?yōu)閳D7所示的曲線2，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行于第IV象限的B點(diǎn)。曲線1為電動(dòng)機(jī)的固有特性。

圖7 倒拉反接制動(dòng)機(jī)械特性

倒拉反接制動(dòng)適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。例如，起重機(jī)將重物保持均勻速度下降時(shí)，使得位能性負(fù)載（重物）倒過來拉著電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)按提升方向接通電源，由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩TS<負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電機(jī)被重物拖著反轉(zhuǎn)，電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由A點(diǎn)加速到B點(diǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩T=TL，電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定的反接制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，且電機(jī)以-nB的轉(zhuǎn)速將重物勻速下放。

1.3 回饋制動(dòng)

前面所述反接制動(dòng)的機(jī)械特性，如圖6所示曲線2或曲線3，當(dāng)三相交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，定子電源接成負(fù)相序時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于第IV象限的E點(diǎn)（稱為回饋制動(dòng)運(yùn)行點(diǎn)），對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T>0，轉(zhuǎn)速n<0，且轉(zhuǎn)速n的絕對(duì)值大于同步轉(zhuǎn)速n1，則稱為反向回饋制動(dòng)運(yùn)行。例如，電動(dòng)機(jī)利用回饋制動(dòng)下放重物時(shí)（如圖 8），定子兩相反接，這時(shí)同步轉(zhuǎn)速由n1變?yōu)?n1，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為-TS（圖6中的C點(diǎn)）。由于轉(zhuǎn)矩-TSTL<0，則dn/dt<0，電機(jī)將反向加速運(yùn)行到E點(diǎn)。以-nE的轉(zhuǎn)速使重物勻速下放。下放過程中，重物貯存的位能不斷被電機(jī)定子繞組吸收，并轉(zhuǎn)換成電能“回饋”到電網(wǎng)中。為防止下降轉(zhuǎn)速過快，轉(zhuǎn)子串電阻R值不宜太大。

同理，正向回饋制動(dòng)運(yùn)行是指電動(dòng)機(jī)工作于第 II象限，且電機(jī)轉(zhuǎn)速n>n1，轉(zhuǎn)差率s=(n1-n)/n1<0，電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械功率Pj<0，電磁功率Pm<0，即正向回饋制動(dòng)過程中，負(fù)載向電動(dòng)機(jī)輸入功率，除了轉(zhuǎn)子和定子繞組上的銅損耗外，其余的回饋給定子電源了。簡(jiǎn)單一點(diǎn)說，此時(shí)的電動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于1臺(tái)發(fā)電機(jī)。

圖8 起重機(jī)下放重物的回饋制動(dòng)

2 打樁船起重用變頻三相異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)

我們建造打樁船“打樁19”、“打樁20”時(shí)，考慮到系統(tǒng)的簡(jiǎn)單、實(shí)用、維護(hù)方便并且具有良好的調(diào)速性能，起重絞車采用變頻三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由于三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無法串入電阻，并且在打樁作業(yè)時(shí)起重絞車起、停頻繁，所以其電機(jī)的制動(dòng)并不適用本文介紹的前三種制動(dòng)方式，而適用回饋制動(dòng)的方式。與前文所述不同的是，該回饋制動(dòng)所產(chǎn)生的電能并沒有回饋到電網(wǎng)中去，而是在制動(dòng)電阻上消耗掉了。

其實(shí)該回饋的電能其電壓、頻率、波形不穩(wěn)定，隨著重物的重量和下降速度的改變而改變，并不能與船舶電站電網(wǎng)提供的電能所匹配，容易引起電站的不穩(wěn)定，更甚者會(huì)引起用電設(shè)備的損壞。所以，重物下降所回饋的電能實(shí)際上是多余的，是必須要“浪費(fèi)”掉的。制動(dòng)電阻，就是用以消耗重物下降所回饋的電能的。當(dāng)重物提升時(shí)，制動(dòng)電阻并不起作用；當(dāng)重物下降時(shí)，變頻器制動(dòng)單元自動(dòng)將制動(dòng)電阻投入到變頻器直流母線上，重物下降所回饋的電能通過制動(dòng)電阻消耗掉。所以，制動(dòng)電阻會(huì)發(fā)熱，為了保持變頻器艙內(nèi)的溫度，保護(hù)變頻器和制動(dòng)電阻柜，我們特意在變頻器艙設(shè)置了空調(diào)。

2艘船的變頻器分別采用了施耐德 Altivar 68和Altivar 71F異步電機(jī)變頻器，變頻器自帶制動(dòng)單元，與附加的制動(dòng)電阻配合使用，用以三相異步電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)。其變頻系統(tǒng)都各自附帶了2只90KVA、2只75KVA制動(dòng)電阻柜，用以吸收電機(jī)所產(chǎn)生的逆功率。所謂逆功率，即本文回饋制動(dòng)中所提到的，重物貯存的位能不斷被電機(jī)定子繞組吸收，并轉(zhuǎn)換成電能向電網(wǎng)方向“回饋”。變頻器結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

三相異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)的時(shí)候，從定子回饋回來的電能，經(jīng)變頻器內(nèi)的逆變器反饋至直流母線，使直流母線電壓升高。當(dāng)制動(dòng)單元檢測(cè)到直流母線電壓高于設(shè)定值時(shí)，打開制動(dòng)電阻回路，讓電阻消耗這些回饋回來的電能，消耗的功率取決于制動(dòng)單元的容量和制動(dòng)電阻的阻值。

3 結(jié)論

從使用來看，打樁船起重用變頻三相異步電動(dòng)機(jī)采用“回饋制動(dòng)”的方式，經(jīng)過頻率變換，可以在多種速度下，勻速下放重物。

[1]許曉峰.電機(jī)與拖動(dòng)[M].北京: 高等教育出版社,2009.

[2]王廷才.變頻器原理及應(yīng)用第2版[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[3]施耐德電氣公司.Altivar 68異步電機(jī)變頻器編程手冊(cè).

Analysis of Variable Frequency Three-Phase Asynchronous Motor’s Braking

MEN Da-yong
（No.2 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd., Qingdao 266071, China）

This article introduces and analyzes different kinds of three-phase AC motor’s braking.This paper also focuses on the analysis of the principle of three-phase asynchronous motor driven by inverter.The application example is given.

electric motor; braking; inverter; braking resistor

TM3

A

門大勇（1979-），男，工程師，主要從事港口工程施工船舶管理工作。