變頻器電路中的制動(dòng)電路

1、變頻器電路中的制動(dòng)控制電路一、為嘛要采用制動(dòng)電路？因慣性或某種原因，導(dǎo)致負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于變頻器的輸出轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)電機(jī)由“電動(dòng)”狀態(tài)進(jìn)入“動(dòng)電”狀態(tài)，使電動(dòng)機(jī)暫時(shí)變成了發(fā)電機(jī)。一些特殊機(jī)械，如礦用提升機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、高速電梯等，風(fēng)機(jī)等,當(dāng)電動(dòng)機(jī)減速、制動(dòng)或者下放負(fù)載重物時(shí)，因機(jī)械系統(tǒng)的位能和勢(shì)能作用，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速有可能超過變頻器的給定轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中的感生電流的相位超前于感生電壓，并由互感作用，使定子繞組中出現(xiàn)感生電流容性電流，而變頻器逆變回路IGBT兩端并聯(lián)的二極管和直流回路的儲(chǔ)能電容器，恰恰提供了這一容性電流的通路。電動(dòng)機(jī)因有了容性勵(lì)磁電流，進(jìn)而產(chǎn)生勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)機(jī)自勵(lì)發(fā)電，向供

2、電電源回饋能量。這是一個(gè)電動(dòng)機(jī)將機(jī)械勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伝仉娋W(wǎng)的過程。此再生能量由變頻器的逆變電路所并聯(lián)的二極管整流，饋入變頻器的直流回路，使直流回路的電壓由530V左右上升到六、七百伏，甚至更高。尤其在大慣性負(fù)載需減速停車的過程中，更是頻繁發(fā)生。這種急劇上升的電壓，有可能對(duì)變頻器主電路的儲(chǔ)能電容和逆變模塊，造成較大的電壓和電流沖擊甚至損壞。因而制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻（又稱剎車單元和剎車電阻）常成為變頻器的必備件或首選輔助件。在小功率變頻器中，制動(dòng)單元往往集成于功率模塊內(nèi)，制動(dòng)電阻也安裝于機(jī)體內(nèi)。但較大功率的變頻器，直接從直流回路引出P、N端子，由用戶則根據(jù)負(fù)載運(yùn)行情況選配制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。一例維

3、修實(shí)例：一臺(tái)東元7300PA 75kW變頻器，因IGBT模塊炸裂送修。檢查U、V相模塊俱已損壞，驅(qū)動(dòng)電路受強(qiáng)電沖擊也有損壞元件。將模塊和驅(qū)動(dòng)電路修復(fù)后，帶7.5kW電機(jī)試機(jī)，運(yùn)行正常。即交付用戶安裝使用了。運(yùn)行約一個(gè)月時(shí)間，用戶又因模塊炸裂。檢查又為兩相模塊損壞。這下不敢大意了，詢問用戶又說不大清楚。到用戶生產(chǎn)現(xiàn)場，算是弄明白了損壞的原因。原來變頻器的負(fù)載為負(fù)機(jī)，因工藝要求，運(yùn)行三分鐘，又需在30秒內(nèi)停機(jī)。采用自由停車方式，現(xiàn)場做了個(gè)試驗(yàn)，因風(fēng)機(jī)為大慣性負(fù)荷，電機(jī)完全停住需接近20分鐘。為快速停車，用戶將控制參數(shù)設(shè)置為減速停車，將減速時(shí)間設(shè)置為30秒。在減速停車過程中，電機(jī)的再生電能回饋，使變

4、頻器直流回路電壓異常升高，有時(shí)即跳出過電壓故障而停機(jī)。用戶往往實(shí)施故障復(fù)位后，又強(qiáng)制開機(jī)。正是這種回饋電能，使直流回路電壓異常升高，超出了IGBT的安全工作范圍，而炸裂了。此次修復(fù)后，給用戶說明情況，增上了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻器后，變頻器投入運(yùn)行，幾年來再未發(fā)生模塊炸裂故障。此種制動(dòng)方式，加快機(jī)械慣性能量的消耗，利于縮短停車進(jìn)程，將電機(jī)的再生發(fā)電能量耗散于“制動(dòng)電阻”上，其工作狀態(tài)為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài)。小功率變頻器，由內(nèi)置制動(dòng)開關(guān)管和內(nèi)置制動(dòng)功率電阻，根據(jù)直流回路的電壓檢測(cè)信號(hào)，直接或由CPU輸出控制指令控制制動(dòng)開關(guān)管的通斷，將制動(dòng)電阻并接入直流回路，使直流回路的電壓增量，變?yōu)殡娮璧臒崃亢纳⒂诳諝庵小?/p>

5、二、變頻器制動(dòng)電路的類型： 小功率變頻器機(jī)型常采用一體化模塊，制動(dòng)單元和溫度檢測(cè)電路也集成在內(nèi)了。上圖Q0為制動(dòng)開關(guān)管，該機(jī)器內(nèi)置1.5k80W的制動(dòng)電阻一只，并預(yù)留了P1、PB制動(dòng)電阻的接入端子，當(dāng)內(nèi)置制動(dòng)電阻不足將將再生能量消耗掉時(shí)，可外接輔助制動(dòng)電阻，進(jìn)一步加大消耗量。因制動(dòng)電阻為線繞式電阻，有一定的電感量存在，接入D8，提供Q0截止期間的續(xù)流，保護(hù)制動(dòng)開關(guān)管的安全。 制動(dòng)控制信號(hào)的來源有二：1、 由CPU根據(jù)直流回路電壓檢測(cè)信號(hào)，發(fā)送制動(dòng)動(dòng)作指令，經(jīng)普通光耦或驅(qū)動(dòng)光耦控制制動(dòng)開關(guān)管的通斷。制動(dòng)指令可能為脈沖信號(hào)，也可能為直流電壓信號(hào)； 2、由直流回路電壓檢測(cè)電路，處理成直流開關(guān)量信號(hào)，

6、直接控制光耦器件，進(jìn)而控制制動(dòng)開關(guān)管的開通和斷開。 制動(dòng)開關(guān)管的控制電路如下圖： 下圖為臺(tái)達(dá)VFD-A型3.7kW變頻器的制動(dòng)控制電路，控制電路由獨(dú)立繞組供電，以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電隔離。從CPU來的BRK信號(hào)，經(jīng)KPH光耦隔離與功率放大，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)開關(guān)管。B1、B2為制動(dòng)電阻接入端子。三、制動(dòng)單元： 中、大功率變頻器，安裝空間、制動(dòng)功率、現(xiàn)場運(yùn)行情況不一等原因，一般不內(nèi)置制動(dòng)開關(guān)管和制動(dòng)電阻，只是從直流回路引出P、N兩個(gè)端子，供用戶外接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。 下圖為一變頻器選配件制動(dòng)單元的電路原理圖： 本制動(dòng)單元的供電，是由一只380V/18V變壓器取得的，由整流、濾波、穩(wěn)壓電路取出+15V的穩(wěn)壓電源，

7、供整機(jī)控制電路。 變頻器的P+、N-端子，接至制動(dòng)單元的主電路和電壓檢測(cè)電路上。由R3-R7構(gòu)成電壓取樣電路，在直流電路電壓為550V時(shí)，R7約為7V電壓，穩(wěn)壓器DW2提供輸入保護(hù)，C6濾掉引線噪聲電壓，檢測(cè)電路經(jīng)R8輸入到由運(yùn)算放大器LM324的5腳，該級(jí)放大器構(gòu)成電壓跟隨輸出器。由7腳輸出的電壓檢測(cè)信號(hào)，一路經(jīng)R9加至后級(jí)電壓跟隨器，驅(qū)動(dòng)HL2主直流回路電壓接入指示燈；一路經(jīng)R11輸入到后級(jí)電壓比較器的10腳（同相輸入端），該級(jí)放大器的9腳（反相輸入端）接有RP1半可變電阻，接入RP1的目的， 是為了克服取樣電阻網(wǎng)絡(luò)的離散性，可以精確調(diào)整制動(dòng)動(dòng)作值。RP1的中心臂電壓即為基準(zhǔn)電壓，10腳電

8、壓檢測(cè)信號(hào)與此基準(zhǔn)電壓相比較，在因負(fù)載電機(jī)反發(fā)電能量饋回直流電路使其電壓上升到660V（或680V）時(shí)，檢測(cè)信號(hào)電壓上為8.5V左右，因9腳基準(zhǔn)電壓已事先調(diào)整為8.4V左右，該組放大器兩個(gè)輸入端信號(hào)比較的結(jié)果，使放大器的輸出反轉(zhuǎn)，8腳輸出高電平，HL3指示燈點(diǎn)亮，提示電路正在實(shí)施制動(dòng)動(dòng)作。HL3的電流通路正是Q1的正偏壓通路，三極管Q1導(dǎo)通，提供了驅(qū)動(dòng)IC-TLP520（光耦型驅(qū)動(dòng)IC）的輸入電流，TLP250的6/7輸出腳輸出正的激勵(lì)電壓，經(jīng)R18直接驅(qū)動(dòng)IGBT模塊。圖中Q2即為IGBT模塊，型號(hào)為MG100Q2YS42，為100A模塊。需更大的制動(dòng)功率、驅(qū)動(dòng)更大的IGBT模塊時(shí)，從A點(diǎn)接

9、入由兩只中、大功率三極管構(gòu)成的互補(bǔ)式電壓跟隨器（功率放大器電路），將PC2輸出的激勵(lì)電流信號(hào)放大到一定幅度后，再驅(qū)動(dòng)IGBT開關(guān)模塊。 制動(dòng)單元電路往往由三部分組成：1、供電電路，由降壓變壓器整流、濾波、穩(wěn)壓取得；由功率電阻降壓、穩(wěn)壓取得；再講究一、點(diǎn)的，由開關(guān)電源逆變?cè)僬?、穩(wěn)壓取得。本電路采用了第一種供電方式。2、直流電路電壓檢測(cè)（采樣）電路：一般由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)取得，再由后級(jí)電壓比較器，取出制動(dòng)動(dòng)作信號(hào)，送后級(jí)IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路。3、IGBT模塊驅(qū)動(dòng)電路。往簡單處考慮，制動(dòng)單元就是一個(gè)電子開關(guān)，承擔(dān)將制動(dòng)電阻接入直流電路的任務(wù)，此一電子開關(guān)用一只接觸器來取代也未嘗不可。反正開關(guān)接通時(shí)還有

10、一只制動(dòng)電阻在電路“限著流”，開關(guān)本身的安全性還是有所保障的，只是開關(guān)的額定電流值取一定富裕量就可以了。對(duì)于電子開關(guān)器件，當(dāng)然還要考慮工作中的散熱問題。比較簡單的控制，是由電壓比較器的輸出信號(hào)直接控制驅(qū)動(dòng)IC的輸出，在直流電路電壓高到660V時(shí)，模塊開通（開關(guān)閉合），接入制動(dòng)電阻進(jìn)行“能耗制動(dòng)”，當(dāng)直流電路電壓回落到600V左右時(shí)，電壓比較器輸出狀態(tài)反轉(zhuǎn)，模塊截止（開關(guān)斷開），制動(dòng)動(dòng)作結(jié)束。制動(dòng)動(dòng)作點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的整定，也不是那么嚴(yán)格和精確，各個(gè)廠家的整定值可能有一定的偏差，只要保證直流電路不受高電壓沖擊就可以了。講究一點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)IGBT模塊，是采用脈沖方式驅(qū)動(dòng)的，效果就要好一些了。四、另一

11、種制動(dòng)方式： 上述制動(dòng)方式，起到縮短剎車進(jìn)程、保護(hù)IGBT及直流回路儲(chǔ)能電容器的作用。還有一種制動(dòng)控制方式，其目的不是消耗反發(fā)電再生能量，電機(jī)負(fù)載也不一定為慣性負(fù)荷。即將電機(jī)定子繞組通直流電，常稱為直流制動(dòng)。用于要求準(zhǔn)確停車或快速停車的情況可起動(dòng)前制止電動(dòng)機(jī)由外界因素引起的不規(guī)則旋轉(zhuǎn)。由變頻器的逆變電路可方便地實(shí)施直流制動(dòng)控制。 如某一紡織機(jī)械，停車過猛容易斷針，停車太慢容易斷線。要求減速到一定值時(shí)，1.2秒內(nèi)柔停車。機(jī)械由變頻器拖動(dòng)，設(shè)置以下參數(shù)：1、啟用直流剎車功能；2、直流剎車起始頻率，即電機(jī)運(yùn)行到什么頻率下實(shí)施直流制動(dòng)剎車，將起始頻率調(diào)低一些，如8Hz，效果更佳；3、剎車給定直流電壓值，決定剎車的力量和快慢；4、剎車電壓給定時(shí)間。其中2、3、4必須依據(jù)現(xiàn)場情況，進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)定。 直流剎車動(dòng)作時(shí)，變頻器先行中斷三相電壓輸出，后輸出直流到定子繞組，實(shí)施能耗制動(dòng)。此過程并無電機(jī)發(fā)電的再生能量饋入變頻器直流回路，所以不需加裝制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。但若為慣性負(fù)荷，減速過程中有可能需要啟用制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。有人以為：只要是要求快速停車的場合，一概都要裝制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，這是一個(gè)誤區(qū)。一些機(jī)械幾乎沒有什么運(yùn)轉(zhuǎn)慣性，電機(jī)一停，機(jī)械就不動(dòng)了。采用常規(guī)的自由停車控制就可以了。變頻器的輸出一停，機(jī)械也就馬上停下來了嘛。大慣性機(jī)械，如對(duì)停機(jī)時(shí)間無要求，一