合康大功率同步矢量高压变频器制动功率单

　　大功率同步电机高压变频器终于在08年5月份通过了现场的实际测验，并且顺利投入生产系统试运行，运行结果稳定、可靠。大功率同步电机高压变频器的现场运行圆满成功。这标志着合康亿盛公司在高压变频器领域又一个大跨步，在同步电机控制方面取得了新的突破。
　　整套大功率高压变频器包括：控制系统、人机界面系统、功率单元系统、电气结构系统构成。现在对于大功率同步电机变频器着重介绍一下大功率同步电机高压变频器的制动功率单元。
　　同步电机制动功率单元的外型见图一：

单元端子定义：
    输入端子为R、S、T，其中两相加熔断器保护
    输出端子为L1、L2
    单元光纤通讯端子XT、XR

同步电机制动功率单元的概念介绍：
　　用制动单元制动是当变频器减速停机时，电动机会处于发电状态,变频器直流母线电压升高到一定值时，自动打开制动功能，（也即接通制动电阻）通过电阻消耗掉这些能量，当变频器带动的电机或其他感性负载在停机的时候，一般都是采用能耗制动的方式来实现的，就是把停止后电机的动能和线圈里面的磁能都通过一个别的耗能元件消耗掉,从而实现快速停车。当供电停止后，变频器的逆变电路就反向导通，把这些剩余电能反馈到变频器的直流母线上来，直流母线上的电压会因此而升高，当升高到一定值的时候，变频器的制动电阻就投入运行，使这部分电能通过电阻发热的方式消耗掉，同时维持直流母线上的电压为一个正常值。

制动的概念：
　 制动的概念是指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧），这时电机的转速高于同步转速。
    负载的能量分为动能和势能。动能(由速度和重量确定其大小)随着物体的运动而累积，当动能减为零时，该事物就处在停止状态。
    机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。
    对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程，由制动产生的功率将返回到变频器侧，这些功率可以用电阻发热消耗。
    在用于提升类负载,在下降时，能量(势能)也要返回到变频器(或电源)侧,从而进行制动。
    这种操作方法被称作“再生制动”，而该方法可应用于变频器制动。
    在减速期间，产生的功率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“功率返回再生方法”。

同步电机制动功率单元原理介绍：
　　现有的高压变频器的功率模块电路基本为交-直-交单相逆变电路，整流侧为二极管三相全桥，通过对IGBT逆变桥进行正弦PWM控制，可得到单相交流输出。
      每个功率模块在结构及电气性能上完全一致，可以互换。
　　输入电源端R、S、T接移相变压器二次线圈的三相低压输出（690VAC），经三相二极管全波整流为直流环节电容充电，电容上的电压提供给由IGBT组成的单相H形桥式逆变电路。
　　功率单元通过光纤接收信号，采用空间矢量正弦波脉宽调制（PWM）方式，控制Q1～Q4 IGBT的导通和关断，输出单相脉宽调制波形。每个单元仅有三种可能的输出电压状态，当Q1和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为1；当Q2和Q3导通时，L1和L2的输出电压状态为-1；当Q1和Q2或者Q3和Q4导通时，L1和L2的输出电压状态为0。输出电压波形见图二。
　　功率单元可选单元旁路功能，当某个单元发生缺相故障、过热和IGBT故障而不能继续工作时，该单元及其另外两相相应位置上的单元将自动旁路，此时旁路开关K导通，以保证变频器连续工作，并发出旁路报警。单元旁路时，变频器因运行单元数量减少，额定输出电压能力将降低，但当变频器本身运行频率较低，如6kV系列运行频率低于40Hz时， 10kV系列运行频率低于43.7Hz时，变频器将自动提高工作单元的输出电压，而保证变频器输出性能不变，实现无扰动自动旁路。
　　对于风机水泵类负载，因轴功率与转速的立方成正比，如6kV系列一级单元旁路时，输出能力为额定的80%，因此运行频率低于46.4Hz时，变频器仍能满足输出要求。实际上变频器选型时留有一定的余量，此频率要更高些。当负载较大，变频器旁路后满足不了输出要求时，变频器将自动降低运行频率，直到输出电流在允许范围内（如额定电流）。

　　图二为五个690VAC功率单元串联时，每个功率单元输出的电压波形及其串联后输出的相电压波形示意图，可以得到5～0～-5共11个不同的电压等级。增加电压等级的同时，每个等级的电压值大为降低，从而减小了dv/dt对电机绝缘的破坏，并大大削弱了输出电压的谐波含量。
　　如图三所示：当整流电路将主变压器次级690VAC整流为直流电压，电解电容对直流电压进行滤波，当直流母排的电压超过1050VDC时，经过比较器采样后，对制动电路的IGBT发出驱动信号，使IGBT导通，将同步电机的能量通过功率制动电阻释放。检测直流母排的电压点，要低于单元过压点1150VDC，这样才能起到对电机减速制动的效果。

　　
图三  同步电机制动功率单元内部框图

　　
单元制动原理介绍：
　　当工作机械要求快速制动，而在所要求的时间内，高压变频器再生能量在中间环节电容器在规定的电压范围内储存不了或者内接的制动电阻来不及消耗掉而使直流部分“过压”时，需要加外接制动组件，以加快消耗再生电能的速度。这时就需要加制动电阻来消耗这部分能量。

制动电阻RZ：（如图三）
　　电动机在工作频率下降过程中，将处于再生制动状态，拖动系统的动能要反馈到直流电路中，使直流电压不断上升，甚至可能达到危险的地步。因此，必须将再生到直流电路的能量消耗掉，使直流母排上的电压保持在允许范围内。所以用电阻来消耗这部分能量，图二中制动电阻RZ就是用来消耗这部分能量的。

结语：
　　大功率同步电机矢量控制高压变频器具有电网污染小、无需无功补偿设备，快速响应，调速比范围宽，重载恒转矩起动，四象限运行等特点。大功率同步电机矢量控制高压变频器可以适合调速要求比较高的场合运行，如矿井提升机、球磨机、钢铁厂的主轧钢机、大型船舶驱动、牵引电车等等。大功率同步电机矢量控制高压变频器的成功，使合康亿盛公司在高压变频器领域、在环保节能领域有了新的突破，同时也使整个国内的同步电机控制调速系统上了一个新的台阶。