变频调速的再生制动解析

    任何电机都是可逆的，既可以作为电动机，也可以用作发电机。异步电机也不例外，但却有它的特殊性。    一、异步发电机的特殊性    首先看一下其他发电机是怎样发电的？    1．直流发电机    直流发电机的定子是磁极，转子是电枢绕组，如图12-1a所示。
    图12-1    各种发电机    a)直流发电机b）同步发电机c）异步发电机    当原动机带动转子旋转时，电枢绕组因切割定子磁场而产生感应电动势，经换向器和电刷引出，便得到直流电压。    2．同步发电机    同步发电机的定子是三相绕组，转子是磁极，如图12-1b所示。    当原动机带动转子旋转时，定子的三相绕组切割转子磁场而产生感应电动势，从而输出三相交变电压。    3．直流发电机和同步发电机的共同特点    (1)它们都有一个固定的磁场；    (2)它们在原动机的带动下，使绕组切割了磁力线而“从无到有”地“发”出电来。    4．异步发电机的特殊性    异步发电机的定子也是三相绕组，但转子却是短路绕组，本身没有磁场。所以，异步发电机只有原动机带动是发不出电来的。虽然，理论上说，利用剩磁也能发出电来，但并无实际意义。    异步发电机要想发电，首先必须要建立磁场。但众所周知，在定子的三相绕组中通入三相交变电流后，才产生旋转磁场。就是说，异步发电机为了得到磁场，其定子绕组必须和三相电源相接，如图12-1c所示。毫无疑问，在这种情况下，它将在电动状态而运转起来了。但是，如果用一台原动机带动它，使转子的转速超过同步转速，也就成为了异步发电机。    所以，异步发电机并不能从“无到有”地独立发电，这就是它的特殊性。    二、异步电动机的发电状态的特点    异步电动机的电动状态和发电状态的根本区别，仅在于转子与磁场之间的相对转速。    1．电动状态电动状态的根本特点，是转子绕组切割磁力线的方向和磁场的旋转方向相反，转子电流和旋转磁场相互作用所产生的电磁转矩TM的方向与磁场的旋转方向相同，是促使转子旋转的驱动转矩，如图12-2a所示。
    图12-2    异步电动机的发电状态特点    a)电动状态b）发电状态c）矢量图    2．发电状态在发电状态，因为转子的转速超过了同步转速，转子绕组切割磁力线的方向和磁场的旋转方向相同。所以，转子绕组里感应电流的方向和电动状态时相反了，所产生的电磁转矩的方向也和磁场的旋转方向相反，成为了阻止转子旋转的制动转矩。原动机将克服制动转矩而作功（发电），如图12-2b所示。    3．矢量图发电状态的矢量图如图12-2c所示，它和电动状态的区别，是转子电流的方向反了，但励磁电流不变。由图可知，定子电流与电源电压之间的相位差角φ2大于π/2(90°)。在这里，发电状态和电动状态的重要区别在于：    在电动状态，电流比电压滞后的电角度小于π/2 (90°):    φ1<π/2 (90°)而在发电状态，电流比电压滞后的电角度大于π/2(90°)：    φ2>π/2 (90°)    4．异步电动机“发电”的特点  为了便于说明问题，我们作出电压和电流的波形，如图12-3所示。今说明如下：    (1)电动状态如上所述，电动状态时，电流与电压的波形如图12-3a所示，由图知，在φ1角所对应的时间t1内，电源电压为“+”，而电流却是“-”的，这说明两者是反方向的，实际上是电动机的反电动势克服了电源电压而做功，或者说，是电动机的磁场向电源反馈能量，从电源的角度看，功率为“-”。而在每半个周期的其余时间里，电流和电源电压的极性相同，是同方向的，说明是电源电压克服了电动机的反电动势而做功，或者说，是电动机从电源吸取能量，从电源的角度看，功率为“+”。因为φ1<π/2，所以磁场反馈的能量比电源提供的能量小，总体上说，是电源在做功，这就是电动状态的特点。    (2)发电状态发电状态的波形如图12-3b所示。因为φ2>π/2，所以在每半个周期的大部分时间里，电流的方向是和电源电压相反的。因此，在电动机的磁场和电源之间交换能量的过程中，总体上说，是磁场向电源输送能量而“发电”了，从电源的角度看，平均功率是“-”的。    所以，异步发电机并不能如直流发电机和同步发电机那样，从没有电能“产生”出电能来。异步电机的发电，仅仅是在电机和电源交换能量的过程中，从电机反馈给电源的能量比电源输入给电机的能量较大而已。也就是说，不论是电动状态，还是发电状态，始终存在着电动机的磁场和电源之间交换能量的过程，区别仅在于：当吸收的能量大于反馈能量时，是电动状态，而当反馈的能量大于吸收的能量时，是发电状态。
    图12-3    电流和电压波形    a)电动状态b）发电状态    三、变频调速系统中的异步电动机发电状态    在电力拖动系统里，异步电动机的基本工作状态是电动状态。但在某些特殊的电力拖动系统里，以及在一些改变参数后的暂态过程中，也有可能出现发电运行状态。    1．发电状态的产生在变频调速系统里，出现发电状态主要有两种情况：    (1)起重机械的重物下降重物下降时，在重物的重力加速度作用下，转子的转速将有可能超过同步转速，而使电动机处于发电状态。重物在高处时，位能较大，重物下降时，位能将减小。所以，重物下降的过程也是电力拖动系统释放位能的过程，如图12-4a所示。因为这时电动机里的电磁转矩是制动转矩，所以也称为再生制动状态。
    图12-4    异步电动机的发电状态    a)释放位能b）释放动能    (2)电动机的工作频率下降在变频调速系统中，转速的下降是通过降低频率来实现的。假设电动机在较高频率下运行，其转速也较高。当降低频率时，同步转速随即降低。但电动机的转子却因为有惯性，并不立刻下降。于是出现了同步转速低于转子转速的状态，即发电状态或再生制动状态，如图12-4b所示。    当电力拖动系统在较高频率下运行时，动能较大。而在频率下降的过程中，因为转速在降低，故电力拖动系统的动能也在减小。所以，频率下降的过程，也是电力拖动系统释放动能的过程。    总之，电力拖动系统在释放能量的过程中，所释放的能量将转换成电能，而使电动机处于再生制动状态，即发电状态。    2．变频器的泵升电压    (1)变频器的直流电压如上所述，在重物下降以及频率下降（减速）过程中，电动机都将处于再生制动状态，电流滞后于电压的相位差角大于π/2，所以在滤波电容器上，大部分时间是接受电动机反方向电流的充电；小部分时间是向电动机放电，如图12-5所示。很明显，是充电的时间长，而放电的时间短，于是直流电压上升。因为充电电流并不连续，而是每半个周期充电一次，中间还略有间隔，工作状态与活塞泵类似，故称为泵升电压。
    图12-5    泵升电压    直流电压如超过一定的限值，会损坏变频器的元器件，是需要加以限制的。    (2)直流电压与减速时间变频器中，频率下降的快慢，是可以由用户任意预置的。变频器的输出频率从基本频率下降到0Hz所需要的时间，称为减速时间，用tD表示，如图12-6a所示。    如减速时间预置得长，则频率下降得慢，电动机转子的转速跟得上同步转速的下降，在减速过程中保持较小的转差，泵升电压较小，不会超过上限值，如图12-6b所示。    反之，如减速时间预置得短，则频率下降得快，电动机转子的转速将跟不上同步转速的下降，在减速过程中的转差增大，泵升电压也较大，直流电压将超过上限值，导致变频器因过电压而跳闸，如图12-6c所示。
    图12-6    减速时间与直流电压    a)减速时间定义b）减速慢c）减速快