本文在简介变频调速系统运行状态的基础上，阐述了在变频调速系统设计中应考虑制动方式的应用场合，重点论述了变频调速系统采共用直流母线方案的接线及工程应用。

关键词：运行制动方案

1.变频调速系统运行状态不少的生产机械在运行过程中需要快速地减速或停车，而有些设备在生产中要求保持若干台设备前后一定的转速差或者拉伸率，这时就会产生发电制动的问题，使电动机运行在第二或第四象限。而对于变频器，如果输出频率降低，电动机转速将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程，由制动产生的再生能量将返回到变频器直流单元，这些功率可以用电阻发热消耗或反馈回电网。为了改善变频系统制动能力，不能依靠增加变频器的容量来解决再生能量问题。需要选用制动电阻、制动单元或功率再生变换器等选件来改善变频器的制动能力。在变频调速系统减速期间，产生的再生能量如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“再生能量回馈法”。在实际应用中实现“再生能量回馈”需要“能量回馈单元”选件。

然而在实际应用中，由于大多通用变频器都采用电压源的控制方式，其中间直流环节有大电容器钳制着直流电压，使之不能迅速反向，另外变频器整流回路通常采用不可控整流桥，不能使电流反向，因此要实现回馈制动和四象限运行就比较困难。

图1所示为变频器调速系统的二种运行状态，即电动和发电状态。在变频调速系统中，电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速w1小于转子转速w时，转子电流的相位几乎改变了180度，电动机从电动状态转变为发电状态；与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩Te，使电动机的转速迅速下降，电动机处于再生制动状态。电动机再生的电能经逆变单元续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容器吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容器仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压Ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取必需的措施处理这部分再生能量。通用电压型变频器只能运行于一、三象限，即电动状态，因此在以下应用场合，必须考虑配套使用制动方式：

①电动机拖动大惯量负载（如离心机、龙门刨、巷道车、行车的大小车等）并要求急剧减速或停车。

②电动机拖动位能负载（如电梯，起重机，矿井提升机等）。

③电动机经常处于被拖动状态（如离心机副机、造纸机导纸辊电动机、化纤机械牵伸机等）。

以上几类负载的共同特点是要求电动机不仅运行于电动状态（一、三象限），而且要运行于发电制动状态（二、四象限）。为使系统在发电制动状态能正常工作，必须采取适当的制动方式。

2.共用直流母线系统方案

在同一个电力拖动系统中的一个或多个传动单元，有时会发生电机运行在发电状态，并将再生能量反馈到变频器中来，这种现象叫“再生能量”。这种情况一般发生在电机被机械设备惯性拖动的时候（也就是被一个远远高于设定值的速度拖动的时候），或是当驱动电机发生制动以提供足够的张力的时候（如放卷系统中的传动电机）。

通用变频器在设计上不具有再生能量反馈到三相电源的功能，因此所有变频器从电机吸收的能量都会保存在电容中，最终导致变频器中的直流母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻，变频器就可以通过短时间接通电阻，使电能以热方式消耗掉。当然只要充分考虑到制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率就可以设计或选择合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最终能够保持直流母线电压的平衡。这种制动单元的工作方式其实就是消耗能量的一种能耗制动。

如果有多台变频器通过直流母线互连，一个或多个电机产生的再生能量就可以被其他电机以电动的方式消耗吸收了。这是一种非常有效的工作方式，即使有多个部位的电机一直处于连续发电状态，也不用考虑采取处理再生能量的工作方式。在这种方式下，如果生产机械设备仍需要一个更快刹车或紧急停止的状态的话，那就需要再加上一个一定容量的制动单元和制动电阻以便在需要时工作，若与能量回馈装置组合就可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来，以提高系统的节能效果。

（1）变频器共用直流母线方案接线

对于通用变频器而言，采用共用直流母线很重要的一点就是在共用直流母线上电时必须充分考虑到变频器的控制、传动系统故障、负载特性和输入主回路保护等。所示为一种应用比较广泛的共用直流母线方案接线。该方案包括3相进线（保持同一相位）、直流母线、通用变频器组、公共制动单元（或采用能量回馈装置）和一些附属元件。该方案具有以下特点：①使用一个完整的变频器，而不是单纯使用传统意义上的整流桥加多个逆变器方案。

②不需要有分离变频器的整流桥、充电单元、电容组和逆变器。

③每一个变频器都可以单独从直流母线中分离出来而不影响其他系统。

④通过连锁接触器来控制变频器的直流环节的接入到共用直流母线上。

⑤采用快速熔断器来保护接在公共直流母线上的变频器的电容单元。

⑥所有接在公共直流母线上的变频器必须使用同一个三相交流电源。

在图2中，QF是每个变频器的进线保护装置，它应该采用带辅助触点的空气开关，因为直流接触器MC的接通必须同时满足QF的辅助触点闭合和变频器运行状态正常这两个条件，否则MC就断开。

LR为进线电抗器，由于实际工作现场的复杂环境往往会导致电网的波动并产生高次谐波，使用进线电抗器就能有效地避免这些因素对变频器的影响，也可用于增加电源阻抗并吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰，从而最终保护变频器的整流单元。

为确保变频器上电后顺利地接到公共直流母线上，或是在变频器故障后快速地与公共直流母线断开以进一步缩小变频器故障范围，使用在该系统的变频器必须要有24VDC信号或无源触点信号输出，其输出信号至少包括：

①READY信号：该信号输出有效则表示变频器无故障，母线电压正常，可以接受启动命令。

②FAULT信号：该信号输出表示变频器故障。

FU为半导体快速熔断器，额定电压通常可选700VDC，如Bussman的FWP系列Gouldshawmut的A70P系列，额定电流必须考虑到驱动电机在电动或制动时的最大能量，一般情况下可以额定负载的125%电流即可。

MC为2P直流接触器，如ABB的EHDB系列，额定电压650VDC，其额定电流同样须根据驱动电机制动时的最大电流来选取，一般情况下可以选额定负载的120%电流。

（2）共用直流母线的应用

通用变频器的共用直流母线方案目前已经在工业领域的很多机械设备上得到广泛应用，不仅整机（设备加电气）故障率低，而且能最大程度地节能，更具有环保的意义。①双电机驱动。双电机驱动电路如图3所示，与主动件相连的电机处于电动工作状态为主电机，与从动件相连的电机由于转鼓差速的作用始终处于发电状态的为副电机。主、副电机各用一台普通变频器驱动，采用公共直流母线方案，较好的解决副电机持续发电的再生能量问题，并达到节能的效果。

②多电机驱动。多电机驱动设备通常包括几个主要的传动电机，例如纺织机械通常有一道、二道、三道牵伸和卷曲，它们需要同步运行。在同步时，一道牵伸M1和二道牵伸M2为保持一定牵伸比必须处于发电状态，而三道牵伸M3和卷曲M4则处于电动状态。M1和M2发电是由于3道牵伸的电动所引起的，该2台电机所产生的回馈能量足以消耗到处于电动状态下的M3和M4中，而不会引起直流回路母线电压的升高，这样通过接线就可以解决再生能量的制动问题，从而使系统始终处于比较稳定的状态。

在中，能量传递的公式为：P0=P3+P4-P1-P2。很显然，公共直流母线方案将大大降低能量损耗。多电机驱动设备采用共用直流母线的控制方式，具有以下显著的特点：

①共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。

②共用直流母线的中间直流电压恒定，由于各变频器的直流环节并联电容器的储能容量较大。

③各电机工作在不同状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性，并使系统具有较高的节能效果。