王世平，梁金成，黃志國，徐娟

（1.中國南車株洲變流技術(shù)國家工程研究中心有限公司，湖南 株洲 412001；2.中國南車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

1 引言

電機試驗作為電機生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)，是電機性能和質(zhì)量檢驗的主要方面，電機廠家都很重視電機試驗設(shè)備建設(shè)。在國家“節(jié)能減排”政策的支持下，越來越多的電機廠采用更節(jié)能的電機試驗系統(tǒng)。近年來，人們使用高性能的電力電子元件和DSP，結(jié)合PWM控制算法，研制出了變頻方式的靜止電機試驗電源［1］，具有環(huán)保、節(jié)能、使用方便等特點，適合電機試驗需要快速變換工況的要求。

電機試驗過程中，需要進行頻繁的啟停工況。電機啟動過程，由于采用變頻方式啟動，解決了采用機組試驗中的啟動困難問題，特別是大電機。電機停機過程，則要求快速停機。變頻方式試驗系統(tǒng)中，電機停機過程伴隨著能量的再生回饋［2］，這會導致直流回路電壓升高。因此，必須采用制動單元，消耗掉回饋到直流側(cè)的電能，才能保證設(shè)備和人員的安全。

本文依據(jù)對制動轉(zhuǎn)矩和制動過程時間的要求，著重介紹了電機試驗電源制動單元的分析及計算，并且在實際工程中進行了應用。結(jié)果表明，依據(jù)本文計算過程得到的制動單元參數(shù)，滿足電機試驗快速制動的要求。制動單元包括斬波單元和制動電阻。

2 制動單元的確定

2.1 制動電阻的確定

變頻器拖動電動機進行制動運行，由于電機轉(zhuǎn)子慣性，電動機轉(zhuǎn)速將大于其同步轉(zhuǎn)速n0。電動機產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速方向相反的制動轉(zhuǎn)矩，以保證負載減速制動，電動機工作在第4象限；此時電機工作于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生的電能除部分消耗在電動機內(nèi)部銅損和鐵損外，其余大部分將通過變頻器逆變橋回饋到直流母線側(cè)，使直流母線電壓升高。如不采取措施，很容易引起直流電壓過高，影響設(shè)備和生產(chǎn)的正常運行。需要使用制動單元，由斬波單元監(jiān)測直流回路電壓，并通過開關(guān)器件形成一個斬波電路，由制動電阻消耗電機回饋的電能，達到快速停車的目的［3-4］。

斬波制動單元的作用是進行瞬時過電壓保護，如圖1所示。當檢測到的電壓高于設(shè)定值時，接通制動電阻回路，讓電阻消耗部分電能，釋放的電功率取決于電機參數(shù)、制動單元容量、制動電阻值。

圖1 制動單元原理圖Fig.1 Schematic diagram of brake unit

制動電阻為

式中：Ra為制動回路總電阻，Ω；Rl為制動回路導線電阻，Ω；Rm為電機電樞電阻，Ω。

式中：Em為制動瞬間電機反電勢最大值，V（空載時，Em≈Um）；Im為制動電流最大值，A（制動瞬間電流Im≈KIe）；Um為電機端最大電壓，V；Ue為電機額定電壓，V；Ie為電機額定電流，A；K為電機允許過載倍數(shù)。

制動回路導線電阻Rl可根據(jù)導線材質(zhì)、截面、長度計算得出。

電機電樞電阻Rm一般由電機樣本給出，當阻值無法得到時，也可由下式推算：

式中：Ee為電機額定電勢，V。

式中：Ceφ為電機電勢常數(shù)；Cmφ為電機力矩常數(shù)；Me為電機額定力矩，N·m；ne為電機額定轉(zhuǎn)速，r／min；Pe為電機額定功率，kW。

綜合式（1）～式（4），可得制動電阻為

為簡便計算，可忽略電機電樞電阻Rm及線路電阻Rl，則：

此時，由于式（6）減去了電樞電阻及線路電阻，所選擇的制動電阻阻值滿足了實際工程的應用。

2.2 斬波單元的確定

斬波單元的作用是電平檢測［5］和斬波，一般由IGBT斬波管及其控制電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 斬波單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of chopper unit

當試驗電機進行制動或電路出現(xiàn)故障導致直流電壓過高時，斬波單元檢測到的電壓高于設(shè)定值，打開制動電阻回路，讓電阻消耗部分電能，以對電機進行快速制動或保護電路安全［6］。斬波單元釋放的電功率取決于制動單元的容量和制動電阻值。

3 制動工況下等效電流的確定

為簡化推導及計算過程，略去靜阻力矩對電機制動過程的影響。此時，電機制動期間力矩、電流特性曲線如圖3所示。

圖3 力矩 電流特性曲線Fig.3 Curves of torque current characteristic

由圖3得到增磁段力矩方程為

其中

式中：Mz為增磁段力矩，N·m；Mm為電機最大制動力矩，N·m。

增磁段電流即為電機制動瞬間電流：

恒磁段力矩方程為

恒磁段電流方程為

根據(jù)動態(tài)力矩方程：

式中：∑GD2為折算到電機軸上的飛輪力矩，kg·m2。

將式（7）代入式（11），得到增磁段力矩平衡方程為

解方程得到增磁段制動時間為

將式（9）代入式（11），得到恒磁段力矩平衡方程為

解方程得到恒磁段制動時間為

將式（16）代入式（10），得到恒磁段制動電流方程為

根據(jù)式（17）繪制制動電流過渡曲線，如圖4所示。

根據(jù)曲線求得制動周期內(nèi)的恒磁段等效電流為

圖4 制動電流過渡曲線Fig.4 Curve of braking current transition

結(jié)合式（14）和式（18）得到電機工作周期內(nèi)的等效制動全電流為

3.1 電機頻繁制動工況下等效電流的確定

在反復短時工作制、頻繁制動的情況下，等效制動電流可按照式（19）計算得到。

當制動過程中不存在增磁段時，等效制動電流為

當電機最高運行轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時，等效電流計算仍按式（20）進行，而時間常數(shù)用下式求得：

3.2 電機偶爾制動工況下等效電流的確定

電機偶爾制動工況下，取制動周期T為制動電阻的熱時間常數(shù)，并令在此期間的制動次數(shù)為Kz，則式（19）可轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

一般情況下，考慮到τ＝T，則式（22）可簡化為

電機偶爾制動工況下的等效電流即可由式（23）計算得到。當電機制動過程不存在增磁段時，等效制動電流變?yōu)?/p>

當電機最高運行轉(zhuǎn)速小于額定轉(zhuǎn)速時，等效電流公式仍用式（24）求取，而時間常數(shù)計算用式（21）。

4 實際計算及應用

某電機有限公司的一套750kV·A電機試驗電源，用于維修電機進行出廠試驗。由于試驗電機量大，需要頻繁啟停操作。

試驗電機參數(shù)：YBK2－250M－4，55kW，380 V，103.3A，1480r／min，50Hz，∑GD2＝0.084kg·m2。

根據(jù)以上參數(shù)，在進行電機試驗電源制動單元設(shè)計時，考慮線路電阻Rl＝0，則：

電動機額定力矩為

電流下降曲線時間常數(shù)為

等效制動電流按式（20）進行求取，其中斬波制動周期按照斬波管最快動作時間進行確定：

選取Cr25Ni20型電阻帶，阻值實際選為3.8 Ω，額定電流62.5A，則其額定功率約為15kW。

圖5和圖6為在現(xiàn)場實際應用所截取波形，其中，圖5為電機制動波形，圖6為斬波啟動波形。

圖5 制動波形Fig.5 Waveform of braking

圖6 斬波波形Fig.6 Waveform of chopper

5 結(jié)論

本文結(jié)合工程實際應用，針對變頻方式電機試驗電源系統(tǒng)，推導了電機試驗頻繁制動工況下需要的制動電阻阻值及等效電流計算公式［7］。由于略去了電機靜阻力矩對制動過程的影響，使得根據(jù)推導公式求得的等效電流較實際值偏大，因此對于電阻的選擇在安全范圍內(nèi)。

斬波單元及制動電阻在實際應用時，斬波單元距離變頻器的距離不應太遠［8］，否則會因線間分布電感的存在而削弱制動電阻的制動效果；制動電阻的電纜也不宜過長，否則斬波電阻兩端將產(chǎn)生斬波電壓尖峰，對斬波單元的器件帶來不利影響［8］。

［1］康爾良.靜止變頻電源的感應電機疊頻試驗方法［J］.電機與控制學報，2010，14（10）：51－55.

［2］毛偉.變頻器制動單元和制定電阻的選型分析［J］.中國計量學會冶金分會2008年會論文集，2008（52）：674－677.

［3］段蘇振.變頻器的選型、配置與維護技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［4］楊明秦，齊國政.變頻器的制動應用分析［J］.機床電器，2007（3）：56－58.

［5］方涌奎，屈敏娟，張支鋼.變頻器控制系統(tǒng)的制動單元及其應用［J］.精密制造與自動化，2009（1）：36－38.

［6］朱衛(wèi)兵.變頻器制動單元的使用及其計算［J］.江蘇冶金，2006，34（6）：51－52.

［7］劉遙生.變頻器外部常用選件的特點及應用［J］.機床電器，2006（2）：47－49.

［8］劉瑞虎，李忠，孔祥泉.煤礦提升機變頻電控系統(tǒng)中制動單元的過電壓故障分析及其改進［J］.工礦自動化，2008（4）：113－115.