笼型异步电动机能量回馈制动控制

1 引 言
近年来, 国内外对变频器的研究和应用 取得飞速的进步, 尤其是通用变频器在工业 生产中得到了广泛的应用。当变频器驱动异 步电动机在制动或者下放位能性负载过程 中, 电动机处于再生制动状态, 传动系统中的 机械能通过电动机转换成电能, 变频器中续 流二极管将这种能量回馈到变频器直流侧电 容 C 中, 使直流侧电压升高, 产生泵升电压。 特别是要求快速起、制动和频繁正、反转的调 速系统, 短时间内有很大的能量回馈, 在电容 上产生很高的泵升电压, 若不及时释放这部 分能量, 则势必会引起变频器过压保护动作 或造成主回路大功率器件的过压损坏。对这 种泵升能量的处理方法基本上有两种: (1) 耗 散到直流侧与电容器并联的“制动电阻”中, (2) 通过能量回馈电路使之回馈到交流电网 中。前一种方式比较简单, 但经过电阻耗散能 量, 不仅浪费了能源, 有时也会产生某些副作 用[2], 后一种方式虽然结构较为复杂, 但提高 了能源的利用率, 尤其是对频繁起制动或长 期带位能性负载下放的系统, 会产生显著的 节电效果。本文提出了一种新颖的能量回馈
的220伏, 经整流、滤波后直流侧平均电压为 U d≈ 2134×127≈ 297伏, 选用固定逆变角 Β = - 1315°时, 该时刻电源交流侧瞬时线电压 为311×sin (60°+ 1315°) = 298伏, 当电机处 于电动状态时, 对应于触发时刻即使有误触 发信号, 晶闸管也不可能导通 (功率器件导通 管压降的作用); 而当电动机处于制动状态 时, 晶闸管导通时间较长, 能量回馈较多, 确 保了直流侧电压不会上升过高, 且制动结束 时, 直流侧电压略高于297伏 (功率器件管压 降的影响)。T 7、T 8和晶闸管逆变桥的触发时 序如图4所示。在自然换相点处发出 T 7、T 8 关断信号, 并在晶闸管再次触发前的一个时 钟 周期 (大约8313Λs 由12kH z 时钟产生) 开 通 T 7、T 8使逆变电路与直流侧连通, 当晶闸 管被触发时, 如果满足逆变条件, 则把能量回 馈电网。
W AN G X ianku i ZHOU H u ix ing ( In st itu te of M anufactu ring Eng ineering, T singhua U n iversity, B eijing 100084)
【Abstract】B a sed on ba sic V CM m agnet ic circu it, a st ructu re coefficien t design ing m ethod fo r N dFeB m agnet ic circu it is p resen ted. D ifferen t from t rad it iona l design ing p rocedu re, it com b ines the m agnet ic circu it w o rk ing po in t w ith the st ructu re coeffcien t and ea sily get s the h igh p erfo rm ance circu it and low est m anufactu ring co st. T he m agnet ic w o rk ing po in t get from th is m ethod is u sua lly no t on the po in t of m ax im um m agnet ic energy and op t im ized m agnet ic st ructu re coefficien t k is g rea ter than kmax. Som e m agnet ic design ing exam p les and their da ta fo r linea r d riving m o to r a re g iven in th is p ap er. T he linea r m o to r designed by th is m ethod ha s been u sed in CN C la the fo r O. P. p iston s, w h ich show s the effect iveness of th is m ethod. 【Keywords】m agnet ic circu it design ing, N dFeB , V CM
R egenera tive Con tro l by U tilizing T hyristo r R ectifier of V o ltage Sou rce Inverter. IEEE T ran s. Ind. A pp lica tion, 1992; 28 (4) :
ENERGY FEED BACK BRAK ING CO NTROL O F ASY NCHRO NO US M O TO R
4 结 论
本文提出了一种新颖的固定逆变角 (Β = - 1315°) 晶体管一晶闸管混合控制能量回 馈控制方法, 该方法具有变流效率高, 响应速 度快, 不易发生逆变失败等优点, 有效地抑制 了制动时直流侧泵升电压, 且制动结束时直 流侧电压基本不变, 有利于电动机再次迅速 电动运行。该研究成果在工程上具有较大的 实用价值。
1998年第2期
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相点实现逆变, 则其逆变角的选择应使 Β> 30°, 否则, 就有可能会逆变失败, 而 Β> 30°回 馈电网能量大为减少, 无法抑制泵升电压的 快速上升, 不能实现快速制动的目的, 同时也 使制动结束时直流侧电压小于平均整流电
XU Guozhong ZHU J ing
(Zhejiang U n iversity, H angzhou 310027)
TU X iao lie
XU H u iguo
(A nhu iM ed ica l U n iversity) (H efei 26th M idd le Schoo l)
【Abstract】T he p ap er ana ly ses the b rake p rincip le of the m o to r pow ered by the inverter and
(图片中 上条曲线: 直流侧电压波形 下条曲线: 电动机转速波形)
图4 电动机起制动时转速 及泵升电压变化波形
出机组在最大制动转矩时, 不同转速下的制 动 波 形。电 压 标 尺: 50V D IV , 时 间 标 尺: 500m s D IV , 速 度 标 尺: 500rpm D IV。机 组 从1000rpm、1500rpm 制动到零时的制动时 间分别为450m s、670m s, 直流侧泵升电压分 别为35V、75V 。
(3) 从性能价格比最优考虑, 结构系数 k 应大于 kmax, 其成本基本不变, 而径向尺寸减 小;
(4) 本设计方法也可用于其他类型的钕 铁硼磁路。
参 考 文 献
1 林其禾, 赵佑民 . 磁路设计原理. 北京: 机械工业 出版社, 1987. 11
2 王以真. 实用磁路设计. 天津: 天津科学技术出版 社, 1992. 11
笼型异步电动机能量回馈制动控制
徐国忠 诸 静
涂筱烈
徐惠国
(浙江大学, 杭州 310027) (安徽医科大学) (合肥第二十六中学)
【摘要】本文分析了变频器实现异步电动机回馈制动的原理, 提出了一种新颖的能量 回馈控制方法和能量回馈电路, 该方法具有能量回馈效率高、控制简单且不易发生逆 变失败等优点, 有效地抑制电动机制动时直流侧泵升电压。实验结果验证了该方法的 正确性和有效性。 【关键词】变频调速, 异步电动机, 回馈制动, 泵升电压抑制, 能量控制
参 考 文 献
1 佟纯厚. 近代交流调速. 冶金工业出版社, 1995; 5 2 涂从欢. 电力拖动系统中能量回馈控制的设计.
电气传动, 1996; (3) 3 张晓光等. 直流脉宽调速系统中回馈能量的研究
及泵升电路设计. 电工技术学报, 1996; (1) 4 Keiju M a tsu i, T subo i and Sobu ro M u to. Pow er
Im ax Ε
Pe U Cm ax
60° 60°+ Β
(2)
交流电抗器电感量 (一相) 为:
图3 GTR 晶闸管触发信号时序图
平均整流电压 U d 时进行逆变, 能量回馈率 高, 又杜绝单独使用逆变桥控制时, 可能会发 生的逆变失败现象, 且硬件控制电路结构简 单。本文中交流侧线电压为电网电压降压后
馈电路, 制动时, 控制 GTR T 1～ T 6按一定 下降频率给电机供电, 使之工作在再生制动 状态, 驱动 T 7、T 8和晶闸管逆变桥, 如果满 足逆变条件, 则把直流侧泵升能量直接回馈 给电网, 确保在整个制动过程中, 直流侧电压 在安全范围内。
对于普通晶闸管逆变桥, 如果依自然换
收稿日期: 1997205204
212 能量回馈电路参数的选择 设逆变器直流侧最大允许电压值为
U , Cmax 系统最大回馈功率为 P e, 回馈电流 I
( t) 的最大值为 Imax, 为使制动过程中直流侧
电压 U C ( t) 不超过 U Cmax, 必须满足:
60°+ Β 60°
Im ax
U Cm ax Ε P e
(1)
图2 能量回馈控制示意图
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L=
U Cm ax - U V 2 (2Π 6f ) Im ax
=
U Cm ax 24Πf
Uv Im ax
(3)
U V 为处于自然换相点时刻交流线电压的瞬
时值, f = 50H z。由于在实际系统中各种发热
和转换损耗不可避免, 且电动机的回馈功率
随其转速下降而减少, 因此只要保证 (1) 式成
压。本文提出一种新型逆变换流控制 (强迫通 断控制) 的方法, 运用串联在直流馈线上的 T 7、T 8 (参见图1) , 按一定时序控制其通断状 态, 从而可使晶闸管逆变桥处于逆变或关断 状态, 即在自然换相点处发出 T 7、T 8关断信 号, 并在晶闸管逆变桥再次触发前先发出 T 7、T 8导通信号, 使其导通, 当晶闸管逆变桥 被触发时, 如果满足逆变条件, 则把能量回馈 电网, 能量回馈控制示意图如图2所示 ( I ( t) 为回馈电流)。它的特点是可选择 Β< 0°进行 逆变, 实验交流线电压等于或略大于直流侧
立, 就可使制动过程中直流侧电压等于或小
于 U Cmax, 系统安全可靠地工作。
3 实验验证
为了验证本文能量回馈控制方案, 在一 《电工电能新技术》
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套电压型矢量控制交流变频调速系统做了各 种试验。异步电动机功率为11kW , 异步机— 直流发电机组转动惯量为1176kg m 2。制动 时, 用记忆示波器记录了电动机转速和泵升 电压变化波形。证实本文的方案正确性和表 明了所设计的电路性能良好。图4 (a) (b) 给
源自文库
(下转第69页)
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体的结构和形状特征; ( 2) k 与 B m、H m 和 (B H ) m 有明确的关
系, 据此利用 k 可以确定磁路的参数, 并进行 磁路的设计;
控制方案并设计了相应的电路, 实验结果验 证了该方法的正确性和有效性。
2 能量回馈控制策略和能量回 馈电路设计
211 能量回馈控制策略 带能量回馈电路的变频器主电路结构如
图1所示。能量回馈控制的工作原理是利用二 只 GTR T 7、T 8和六只晶闸管等组成能量回
图1 带能量回馈电路变频器主电路结构图
3 周惠兴, 王先逵等. 内燃机异型活塞型面的高速 数控车削. 见: 先进制造技术论文集. 北京, 1996。 9, 北京: 机械工业出版社, 1996. 12
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