1 引言

　　在變頻器的使用中，經(jīng)常遇到需要制動的場合，如大慣性負載的快速停車、勢能負載的拖動、多級傳動的同步控制及負載的突變等。如何根據(jù)負載情況選擇制動方案經(jīng)常讓客戶難以選擇。本文針對此問題，對制動問題進行了比較深入的探討。

2 制動問題的實質(zhì)

　　制動問題的實質(zhì)在于機械能轉(zhuǎn)換為電能，電能儲存在變頻器的中間環(huán)節(jié)電解電容中，制動方案就是如何保證中間環(huán)節(jié)電解電容的電壓不超過變頻器允許的范圍。因此，解決制動問題的方法有二：一是改變系統(tǒng)控制策略，避免電機出現(xiàn)機械能轉(zhuǎn)換為電能，從源頭上消除能量的持續(xù)累積;二是將不斷積累的能量通過系統(tǒng)內(nèi)部交換或者一定的渠道瀉放掉，即采用共用直流母線、能耗制動或者再生回饋制動等策略。

3 解決制動問題的系統(tǒng)控制策略

　　（1） 加減速時間調(diào)整

　　對于單臺大慣性負載，在加減速過程中，在沒有添加制動單元的時候，容易出現(xiàn)動態(tài)過電壓保護，在工藝許可的前提下，可以將加減速時間調(diào)節(jié)到在最重負載時，也不出現(xiàn)過電壓的更長水平，保證一定的安全余量。一般變頻器中，均有失速過電壓保護功能，建議在無制動單元的時候，將此功能打開，可以避免加減速時間不合適造成的保護。

　　（2） 控制方式的改變

　　對于重負載，快速起制動的場合，可以將v/f控制的變頻器更換為矢量控制變頻器，要求更高的場合，可以采用加pg的矢量控制變頻器，可以大大提高電機的驅(qū)動能力，保證電機速度與變頻器頻率的一致性，減少失速過電壓的發(fā)生機會，并提高功率因數(shù)和運行效率，減少電機的發(fā)熱。

　　（3） 控制功能的靈活應(yīng)用

　　對于個別要求快速制動的場合，可以采用自由停車的方法外加機械抱閘來解決。下垂控制是解決同步和動態(tài)負荷分配的簡單有效的控制方式。如造紙機械中壓光機的控制。由于壓光機中兩個壓輥的線速度客觀上存在差異，會造成兩者中間的一個長期處于發(fā)電狀態(tài)，如果加工物料厚度或者前級的牽引力發(fā)生變化，則可能造成變頻器的負載突變，容易出現(xiàn)過電流、過電壓保護。有些廠家為了簡單地解決問題，采用了將變頻器功率加大一檔或者兩檔的方法，表面上解決了問題，實際上電機長期處于過載和大轉(zhuǎn)差運行狀態(tài)，容易造成電機的燒毀。其實，一種簡單的方法，就是采用下垂控制功能，動態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)速，可以完全解決該問題。

　　另外，對于具有自動加減速功能或者avr（自動電壓調(diào)整）功能的變頻器來說，開放此功能，即可大大降低保護停車的概率。

　　（4） 動態(tài)負荷調(diào)整

　　對于動態(tài)變化的多級負載，如造紙、多級印刷機械的同步，冶金、化纖行業(yè)的牽伸生產(chǎn)等場合，均需要同步控制來動態(tài)控制電機的轉(zhuǎn)速，以保證生產(chǎn)過程不出現(xiàn)斷紙、斷線等現(xiàn)象，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量。在此過程中，被牽拉的電機工作在發(fā)電狀態(tài)，需要制動電阻或者制動單元進行制動。同步控制方法很多，有模擬同步控制、數(shù)字開關(guān)量同步控制、通信或者現(xiàn)場總線控制等方法，將另文描述，此處重點說明幾種動態(tài)負荷調(diào)整的方法。一是采用有pgv/f控制的過程速度pid控制或者有pg矢量控制，提高同步控制精度，可以有效克服負載擾動造成的速度波動;二是采用機械浮輥或者其他緩沖機構(gòu)來克服動態(tài)擾動; 三是采用局部張力閉環(huán)調(diào)節(jié)。

　　（5） 運行命令時序問題

　　在許多系統(tǒng)中，穩(wěn)態(tài)問題往往是比較易于解決的問題，而在啟動和停車的過程中容易出現(xiàn)速度的快速變化，出現(xiàn)制動問題。例如張力控制中常見的卷染機、復(fù)卷機均屬于此類問題。圖1是復(fù)卷機較理想的控制時序圖。對于造紙、印刷機械、化纖、冶金等生產(chǎn)線的控制，均有自己較為理想的控制時序。基本原則是，在啟動和停車的過程中，避免出現(xiàn)負載的突變和速度的突變。

4 解決制動問題的主回路的幾種連接方式

　　（1） 單臺變頻器制動

　　單臺變頻器制動的方式一般有三種，如圖2所示。其中（a）、（b）均適用于非頻繁制動的場合，對于小功率頻繁制動的場合，在不考慮節(jié)能的情況下也可以采用。對于中大功率連續(xù)制動的場合，建議采用（c）的方案，可以節(jié)約大量電能。但是，要注意選用正弦回饋的逆變器，否則將對用戶產(chǎn)生嚴重的干擾，特別是醫(yī)院、影劇院等場合，會干擾醫(yī)療設(shè)備或者影響音響效果。

　　（2） 多臺變頻器局部公共直流母線

　　對于兩臺或者兩臺以上變頻器運行的公共直流母線系統(tǒng)中，往往存在一部分變頻器在電動運行和另外一部分在發(fā)電運行的情況。如果能夠全部或者部分有選擇的將電動與發(fā)電運行變頻器的直流母線連接起來，可以保證發(fā)電制動的能量得到及時的利用，防止母線電壓的上升，可以做到即節(jié)能、又環(huán)保，大大減小了制動組件或者回饋組件的功率，降低了整個系統(tǒng)的成本。

　　對于在一個控制系統(tǒng)當(dāng)中，含有一個大功率變頻器電動運行，含有一個小功率變頻器（或者若干發(fā)電運行變頻器）發(fā)電運行，并且前者功率與后者功率或者功率之和相差4個功率等級以上時，可以采用圖3的方式連接，可以省掉制動單元，簡化系統(tǒng)，降低成本。當(dāng)兩臺及兩臺以上功率接近的變頻器，存在部分電動運行，部分發(fā)電運行時，可以采用如圖4所示的局部公共直流母線方案，在此方案中，母線并聯(lián)必須串入快速熔斷器來防止個別單元損壞后造成故障的進一步擴大。這里需要強調(diào)一點的是，快速熔斷器的容量必須以對應(yīng)變頻器的容量作為選擇依據(jù)。另外，由于不同廠家、不同功率的變頻器母線電源上電的時序不同，為了安全，母線并聯(lián)必須串入接觸器，接觸器的控制可由變頻器中的準備好信號來控制，為了確保安全，通過調(diào)整準備好信號的延時，保證大功率變頻器先于小功率變頻器并聯(lián)到公共直流母線上。emerson生產(chǎn)的td3000具有這樣的功能。

　　（3） 多臺全部公共直流母線

　　如果一個龐大的調(diào)速系統(tǒng)中，變頻器分布分散，運行狀況復(fù)雜的話，比較理想的方案就是采用集中整流加逆變器的方法更為理想和可靠。但是這種方法目前只有西門子、abb可以提供相應(yīng)的產(chǎn)品，價格比較昂貴，替代難度大。圖5是多臺變頻器公共直流母線的連接示意圖。需要說明的是圖4和圖5的方法中的直流母線均需要添加制動組件或者回饋組件。如果圖5中的整流單元采用scr或igbt的可控四象限整流，則不需要添加制動組件或者回饋組件。

5 各種制動方案的綜合比較

　　各種制動方案綜合比較表如附表所示。

6 結(jié)束語

　　以上通過對各種制動方式的分析，可以看出每種制動方式都有自己的優(yōu)缺點，對于具體的工業(yè)應(yīng)用現(xiàn)場，選用什么樣的拓撲結(jié)構(gòu)，必須做到具體問題具體分析。從長遠看，隨著功率半導(dǎo)體器件成本持續(xù)降低，采用具有可以逆變的四象限運行的變頻器（含pwm整流）和無中間直流環(huán)節(jié)的矩陣式交交變頻器將不僅徹底解決制動問題，而且可大大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和降低輸入諧波，將成為未來綠色變頻器的發(fā)展主流。