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則與電動機直接相連，這時電動機的保護(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，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，當(dāng)變頻器或相關(guān)控制電路發(fā)生故障時可自動切斷變頻器的電源。

   變頻器輸出端與電動機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，一臺變頻器控制一臺電動機，且不要求與工頻進(jìn)行切換時，變頻器與電動機之間無須使用接觸器，如圖1所示。而一臺變頻器驅(qū)動多臺電動機時，則每臺電動機必須有單獨控制的接觸器，并選配合適的熱繼電器FR對電動機進(jìn)行保護(hù)，具體電路見圖2。有時雖然一臺變頻器僅驅(qū)動一臺電動機，但有可能在變頻與工頻之間切換運行，這時也應(yīng)如圖3所示在變頻器與電動機之間配置接觸器KM3和熱繼電器FR。電動機在變頻運行時，接觸器KM2觸點斷開，接觸器KM1和KM3觸點閉合，這時變頻器對電動機變頻驅(qū)動并進(jìn)行全方位的保護(hù)。電動機在工頻運行時，接觸器KM1和KM3觸點斷開，KM2觸點閉合，這時熱繼電器FR可對電動機進(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)動電動機運行時，在一些特定條件下電動機會由電動狀態(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機的實際轉(zhuǎn)速超過了其同步轉(zhuǎn)速。電動機由電動狀態(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，其同步轉(zhuǎn)速（即旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速）同時降低，而電動機的實際轉(zhuǎn)速由于機械慣性，速度的降低滯后于同步轉(zhuǎn)速的變化，致使電動機的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速；當(dāng)然這個問題可以通過修改參數(shù)，增大“減速時間”的值予以解決。二是起重機械在負(fù)重情況下，下放被起重的物品，在物品重力作用下，使電動機的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速。以上情況出現(xiàn)時，電動機就進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。

    電動機在發(fā)電狀態(tài)時發(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單元和制動電阻（這兩種元件屬于變頻器的選配件），變頻器就可以通過適時接通制動電阻，使再生電能以發(fā)熱方式消耗掉，稱作能耗制動。

    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)計使再生能量反饋到三相電源的功能。如果將多臺變頻器的直流環(huán)節(jié)通過共用直流母線互連，則一臺或多臺電動機產(chǎn)生的再生能量就可以被其它電動機以電動的方式消耗吸收。或者，在直流母線上設(shè)置一組一定容量的制動單元和制動電阻，用以吸收不能被電動狀態(tài)電動機吸收的再生能量。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，在具有多臺電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)中，選用共用直流母線方案，配置一組制動單元、制動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是每臺變頻器的進(jìn)線保護(hù)裝置。LR是進(jìn)線電抗器，當(dāng)多臺變頻器在同一環(huán)境中運行時，相鄰變頻器會互相干擾，為了消除或減輕這種干擾，同時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)動電動機在電動或制動時的最大電流，一般情況下，可以選擇額定負(fù)載電流的1.25倍。