收稿日期:1997205204笼型异步电动机能量回馈制动控制徐国忠 诸 静(浙江大学,杭州 310027)涂筱烈(安徽医科大学)徐惠国(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图2 能量回馈控制示意图图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。
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 C m ax ,系统最大回馈功率为P e ,回馈电流I(t )的最大值为I m ax ,为使制动过程中直流侧电压U C (t )不超过U C m ax ,必须满足:60°+Β60°I m ax U C m ax ΕP e(1)I m ax ΕP e 60°U C m ax 60°+Β(2)交流电抗器电感量(一相)为:L =U C m ax -U V 2(2Π 6f ) I m ax =U C m ax -U v24Πf I m 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)式成立,就可使制动过程中直流侧电压等于或小于U C m ax ,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・65・《电工电能新技术》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11k W,异步机—直流发电机组转动惯量为1176kg m2。
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(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 I V,时间标尺: 500m s D I V,速度标尺:500rpm D I V。
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。
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。
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 atsui,T subo i and Soburo M uto.Pow er R egenerative Contro l by U tilizing T hyristo r R ectifier of V o ltage Source Inverter.IEEE T rans.Ind.A pp licati on,1992;28(4):ENERG Y FEED BACK BRAK ING CONTROL OF AS Y NCHRONOUS MOT ORXU Guozhong ZHU J ing(Zhejiang U n iversity,H angzhou310027)TU X iao lie(A nhu iM edical U n iversity) XU H u iguo(H efei26th M iddle Schoo l)【Abstract】T he pap er analyses the b rake p rinci p le of the m o to r pow ered by the inverter and(下转第69页)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;(3)从性能价格比最优考虑,结构系数k 应大于k m ax,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,1987.112 王以真.实用磁路设计.天津:天津科学技术出版社,1992.113 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,1996.12STRUCTURE COEFF I C IENT D ESIGN ING M ETHODFOR NdFeB M AGNET I C C IRCU ITW AN G X ianku i ZHOU H u ix ing(In stitu te of M anufactu ring Engineering,T singhua U n iversity,B eijing100084)【Abstract】B ased on basic V C M m agnetic circu it,a structu re coefficien t design ing m ethod fo r N dFeB m agnetic circu it is p resen ted.D ifferen t from traditi onal design ing p rocedu re,it com b ines the m agnetic circu it w o rk ing po in t w ith the structu re coeffcien t and easily gets the h igh perfo r m ance circu it and low est m anufactu ring co st.T he m agnetic w o rk ing po in t get from th is m ethod is u sually no t on the po in t of m ax i m um m agnetic energy and op ti m ized m agnetic structu re coefficien t k is greater than k m ax.Som e m agnetic design ing exam p les and their data fo r linear driving m o to r are given in th is p aper.T he linear m o to r designed by th is m ethod has been u sed in CN C lathe fo r O.P.p iston s,w h ich show s the effectiveness of th is m ethod.【Keywords】m agnetic circu it design ing,N dFeB,V C M(上接自第57页)p ropo ses a novel m ethod of energy feedback con tro l and a circu it.T he m ethod has m any fea2 tu res such as h igh energy feedback efficiency,easy con tro l and no converting failu re etc.It li m its the pum p vo ltage of dc link effectively.Exp eri m en tal resu lts p rove that the m ethod is co rrect and effective.【Keywords】V F SR,asynch ronou s m o to r,feedback b rake,p um p vo ltage li m itati on,energy con tro l。