變頻器外部主電路與公用直流母線解析

一、外接主電路結(jié)構(gòu)

   變頻器的外接主電路如圖1所示。三相交流電源經(jīng)斷路器QF、交流接觸器KM與變頻器的電源輸入端R、S、T連接；變頻器的輸出端U、V、W則與電動(dòng)機(jī)直接相連，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)由變頻器完成。

   這里的斷路器作用有二：

   一是變頻器停用或維修時(shí)，可通過斷路器切斷與電源之間的連接；

   二是斷路器具有短路和欠電壓等保護(hù)功能，可對(duì)變頻器起一定的保護(hù)作用。而接觸器可通過按鈕開關(guān)方便地控制變頻器的通電與斷電，同時(shí)，當(dāng)變頻器或相關(guān)控制電路發(fā)生故障時(shí)可自動(dòng)切斷變頻器的電源。

   變頻器輸出端與電動(dòng)機(jī)之間是否需要配置交流接觸器，這要根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來確定。一般情況下，一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，且不要求與工頻進(jìn)行切換時(shí)，變頻器與電動(dòng)機(jī)之間無須使用接觸器，如圖1所示。而一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，則每臺(tái)電動(dòng)機(jī)必須有單獨(dú)控制的接觸器，并選配合適的熱繼電器FR對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，具體電路見圖2。有時(shí)雖然一臺(tái)變頻器僅驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，但有可能在變頻與工頻之間切換運(yùn)行，這時(shí)也應(yīng)如圖3所示在變頻器與電動(dòng)機(jī)之間配置接觸器KM3和熱繼電器FR。電動(dòng)機(jī)在變頻運(yùn)行時(shí)，接觸器KM2觸點(diǎn)斷開，接觸器KM1和KM3觸點(diǎn)閉合，這時(shí)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)并進(jìn)行全方位的保護(hù)。電動(dòng)機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，接觸器KM1和KM3觸點(diǎn)斷開，KM2觸點(diǎn)閉合，這時(shí)熱繼電器FR可對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。

二、變頻系統(tǒng)的共用直流母線

    變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，在一些特定條件下電動(dòng)機(jī)會(huì)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。這些所謂的特定條件就是電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速超過了其同步轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)的原因，一是變頻器的輸出頻率降低時(shí)，其同步轉(zhuǎn)速（即旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速）同時(shí)降低，而電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由于機(jī)械慣性，速度的降低滯后于同步轉(zhuǎn)速的變化，致使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速；當(dāng)然這個(gè)問題可以通過修改參數(shù)，增大“減速時(shí)間”的值予以解決。二是起重機(jī)械在負(fù)重情況下，下放被起重的物品，在物品重力作用下，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速。以上情況出現(xiàn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)就進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

    電動(dòng)機(jī)在發(fā)電狀態(tài)時(shí)發(fā)出的電能，通過變頻器逆變管IGBT上并聯(lián)的二極管轉(zhuǎn)換成直流電，保存在變頻器直流環(huán)節(jié)的電解電容器中，導(dǎo)致變頻器中的直流母線電壓升高。如果變頻器配備制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻（這兩種元件屬于變頻器的選配件），變頻器就可以通過適時(shí)接通制動(dòng)電阻，使再生電能以發(fā)熱方式消耗掉，稱作能耗制動(dòng)。

    當(dāng)然，采取再生能量回饋方案也可解決變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生能量問題，并可達(dá)到節(jié)約能源的目的。而標(biāo)準(zhǔn)通用PWM變頻器沒有設(shè)計(jì)使再生能量反饋到三相電源的功能。如果將多臺(tái)變頻器的直流環(huán)節(jié)通過共用直流母線互連，則一臺(tái)或多臺(tái)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生能量就可以被其它電動(dòng)機(jī)以電動(dòng)的方式消耗吸收�；蛘�，在直流母線上設(shè)置一組一定容量的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，用以吸收不能被電動(dòng)狀態(tài)電動(dòng)機(jī)吸收的再生能量。若共用直流母線與能量回饋單元組合，就可以將直流母線上的多余能量直接反饋到電網(wǎng)中來，從而提高系統(tǒng)的節(jié)能效果。

    綜上所述，在具有多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，選用共用直流母線方案，配置一組制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻或能量回饋單元，是一種提高系統(tǒng)性能并節(jié)約投資的較好方案。

      圖4是應(yīng)用比較廣泛的共用直流母線方案，該方案包括以下幾個(gè)部分。

控制單元    各變頻器根據(jù)控制單元的指令，通過接觸器KM的觸點(diǎn)將其直流環(huán)節(jié)并聯(lián)到共用直流母線上，或是在變頻器故障后快速地與共用直流母線斷開。

進(jìn)線電抗器    各變頻器的電源輸入端并聯(lián)于同一交流母線上，并保證各變頻器的輸入端電源相位一致。圖4中，斷路器QF是每臺(tái)變頻器的進(jìn)線保護(hù)裝置。LR是進(jìn)線電抗器，當(dāng)多臺(tái)變頻器在同一環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，相鄰變頻器會(huì)互相干擾，為了消除或減輕這種干擾，同時(shí)為了提高變頻器輸入側(cè)的功率因數(shù)，接入LR是必須的。

直流母線控制開關(guān)與熔斷器    KM是變頻器的直流環(huán)節(jié)與共用直流母線連接的控制開關(guān)。FU是半導(dǎo)體快速熔斷器，其額定電壓可選700VDC，額定電流必須考慮驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的最大電流，一般情況下，可以選擇額定負(fù)載電流的1.25倍。