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    李方園（1973－）
男，浙江舟山人，浙江工商職業技術學院,畢業于浙江大學電氣自動化專業，高級工程師，長期從事于變頻器等現代工控產品的應用與研究工作。

摘要：變頻器的起動制動方式是指變頻器從停機狀態到運行狀態的起動方式、從運行狀態到停機狀態的方式以及從某一運行頻率到另一運行頻率的加速或減速方式。變頻器的起動制動包含較多的內容，包括起動方式、加減速方式、停機方式、制動方式等，本文將逐一闡述。

關鍵詞：變頻器；起動制動方式；加減速；回饋制動

Abstract: The run-stop method of AC inverter includes the start method from AC inverter’s stop to run, the stop method from AC inverter’s run to stop, the acceleration and deceleration from one frequency to another frequency . These methods’ main topic matter too much, so in this paper the detailed setting will be described.

key words: AC inverter；run-stop method；acceleration and deceleration；feedback brake

    變頻器的起動制動方式是指變頻器從停機狀態到運行狀態的起動方式、從運行狀態到停機狀態的方式以及從某一運行頻率到另一運行頻率的加速或減速方式。

    變頻器的起動制動包含較多的內容，這里將逐一闡述。

1 起動運行方式

    變頻器從停機狀態開始啟動運行時通常有以下幾種方式：

    1.1 從起動頻率起動

    變頻器接到運行指令后，按照預先設定的起動頻率和起動頻率保持時間起動。該方式適用于一般的負載。
起動頻率是指變頻器起動時的初始頻率，如圖1所示的fs，它不受變頻器下限頻率的限制；起動頻率保持時間是指變頻器在起動過程中，在起動頻率下保持運行的時間，如圖1中的t1。

圖1   起動頻率與起動時間示意

    電動機開始起動時，并不從0Hz開始加速，而是直接從某一頻率下開始加速。在開始加速瞬間變頻器的輸出頻率便是上述所說的起動頻率。設置起動頻率是部分生產設備的實際需要，比如：有些負載在靜止狀態下的靜摩擦力較大，難以從0Hz開始起動，設置了起動頻率后，可以在起動瞬間有一點沖力，使拖動系統較易起動起來；在若干臺水泵同時供水的系統里，由于管理里已經存在一定的水壓，后起到的水泵在頻率很低的情況下將難以旋轉起來，故也需要電動機在一定頻率下直接起動；錐形電動機如果從0Hz開始逐漸升速，將導致定子和轉子之間的摩擦，所以了解起動頻率，可以在起動時很快建立起足夠的磁通，使轉子和定子間保持一定的氣隙，等等。

    起動頻率保持時間的設置對于下面幾種情況比較適合：①對于慣性較大的負載，起動后先在較低頻率下持續一個短時間t1，然后再加速運行到穩定頻率；②齒輪箱的齒輪之間總是有間隙的，起動時容易在齒輪間發生撞擊，如在較低頻率下持續一個短時間t1，可以減緩齒輪間的碰撞；③起重機械在起吊重物前，吊鉤的鋼絲繩通常是處于松弛的狀態，起動頻率保持時間t1可首先使鋼絲繩拉緊后再上升；④有些機械在環境溫度較低的情況下，潤滑油容易凝固，故要求先在低速下運行一個短時間t1，使潤滑油稀釋后再加速；⑤對于附有機械制動裝置的電磁制動電動機，再磁抱閘松開過程中，為了減小閘皮和閘輥之間的摩擦，要求先在低速下運行，待磁抱閘完全松開后再升速。

    從起動頻率起動對于驅動同步電動機，尤其適合。

    1.2 先制動再起動

    本起動方式是指先對電動機實施直流制動，然后再按照方式（1）進行起動。該方式適用于變頻器停機狀態時電動機有正轉或反轉現象的小慣性負載，對于高速運轉大慣性負載則不適合。

    如圖2所示為先制動再起動的功能示意，起動前先在電動機的定子繞組內通入直流電流，以保證電動機在零速的狀態下開始起動。如果電動機在起動前，拖動系統的轉速不為零，而變頻器的輸出是從0Hz開始上升，則在起動瞬間，將引起電動機的過電流故障。

    它包含兩個參數：制動量和直流制動時間，前者表示應向定子繞組施加多大的直流電壓，后者表示進行直流制動的時間。

圖2   先制動再起動功能示意

    1.3 轉速跟蹤再起動

    在這種方式下，變頻器能自動跟蹤電動機的轉速和方向，對旋轉中的電動機實施平滑無沖擊起動，因此變頻器的起動有一個相對緩慢的時間用于檢測電動機的轉速和方向，如圖3所示。該方式適用于變頻器停機狀態時電動機有正轉或反轉現象的大慣性負載瞬時停電再起動。

圖3   轉速跟蹤再起動功能示意

2 加減速方式

    2.1 基本概念

    變頻器從一個速度過渡到另外一個速度的過程稱為加減速，如果速度上升為加速，速度下降為減速。加減速方式主要有以下幾種：

    （1）直線加減速。變頻器的輸出頻率按照恒定斜率遞增或遞減。變頻器的輸出頻率隨時間成正比地上升，大多數負載都可以選用直線加減速方式，如圖4a所示。加速時間為t1、減速時間為t2。

    一般定義加速時間為變頻器從零速加速到最大輸出頻率所需的時間，減速時間則相反，變頻器從最大輸出頻率減至零頻所需的時間。

    必須注意的是：①在有些變頻器定義中，加減速時間不是以最大輸出頻率fmax為基準，而是固定的頻率（如50Hz）；②加減速時間的單位，可以根據不同的變頻器型號選擇為秒或分；③一般大功率的變頻器其加減速時間相對較長；④加減速時間必須根據負載要求適時調整，否則容易引起加速過流和過壓、減速過流和過壓故障。

a   直線加減速



b   S型曲線加減速

圖4   加減速方式

    （2）S曲線加減速。變頻器的輸出頻率按照S型曲線遞增或遞減，如圖4b所示。

    將S曲線劃分為3個階段的時間，S曲線起始段時間如圖4b中①所示，這里輸出頻率變化的斜率從零逐漸遞增；S曲線上升段時間如圖4b中②所示，這里輸出頻率變化的斜率恒定；S曲線結束段時間如圖4b中③所示，這里輸出頻率變化的斜率逐漸遞減到零。將每個階段時間按百分比分配，就可以得到一條完整的S型曲線。因此，只需要知道三個時間段中的任意兩個，就可以得到完整的S曲線，因此在某些變頻器只定義了起始段①和上升段②，而有些變頻器則定義兩頭起始段①和結束段③。

    S曲線加減速，非常適合于輸送易碎物品的傳送機、電梯、搬運傳遞負載的傳送帶以及其他需要平穩改變速度的場合。例如，電梯在開始起動以及轉入等速運行時，從考慮乘客的舒適度出發，應減緩速度的變化，以采用S形加速方式為宜。

    （3）半S形加減速方式。它是S曲線加減速的衍生方式，即S曲線加減速在加速的起始段或結束段，按線性方式加速；而在結束段③或起始段①，按S形方式加速。因此，半S形加減速方式要么只有①，要么只有③，其余均為線性，如后者主要用于如風機一類具有較大慣性的二次方律負載中，由于低速時負荷較輕，故可按線性方式加速，以縮短加速過程; 高速時負荷較重，加速過程應減緩，以減小加速電流；前者主要用于慣性較大的負載。

    （4）其他還有如倒L形加減速方式、U型加減速方式等。

    2.2 加減速時間的切換

    通過多功能輸入端子的組合來實現加不同減速時間的選擇。（共計4種）將多功能輸入端子X1、X2定義為加減速時間端子1、加減速時間端子2就能按照表1中的邏輯組合實現4種不同加減速時間的切換。

圖5   加減速時間的切換

    表1   加減速時間的切換

   

圖6   加減速的銜接功能

    圖6是加、減速曲線。曲線①是在運行指令時間較長情況下的Ｓ形加速曲線;曲線②和曲線③是在加速過程尚未完成，而運行指令已經結束時的減速曲線。用戶可根據生產機械的具體情況進行選擇。

    2.4 加減速時間的最小極限功能

    某些生產機械，出于特殊的需要，要求加、減速時間越短越好。對此，有的變頻器設置了加、減速時間的最小極限功能。其基本含義是：

    (1) 最快加速方式。在加速過程中，使加速電流保持在變頻器允許的極限狀態(IA≯150%IN，IA是加速電流，IN是變頻器的額定電流)下，從而使加速過程最小化。

    (2) 最快減速方式。在減速過程中，使直流回路的電壓保持在變頻器允許的極限狀態(UD≯95%UDH, UD是減速過程中的直流電壓，UDH是直流電壓的上限值)下, 從而使減速過程最小化。

    (3) 最優加速方式。在加速過程中，使加速電流保持在變頻器額定電流的120%(IA≯120%IN)，使加速過程最優化。

    (4) 最優減速方式。在減速過程中，使直流回路的電壓保持在上限值的93%(UD≯93%UDH)，使減速過程最優化。

    其中C和D統稱為自動加減速方式，它能根據負載狀況，保持變頻器的輸出電流在自動限流水平之下或輸出電壓在自動限壓水平之下，平穩地完成加減速過程。

3 停機方式

    變頻器接收到停機命令后從運行狀態轉入到停機狀態，通常有以下幾種方式：

    （1）減速停機。變頻器接到停機命令后，按照減速時間逐步減少輸出頻率，頻率降為零后停機。該方式適用于大部分負載的停機。

    （2）自由停車。變頻器接到停機命令后，立即中止輸出，負載按照機械慣性自由停止。變頻器通過停止輸出來停機, 這時, 電動機的電源被切斷, 拖動系統處于自由制動狀態。由于停機時間的長短由拖動系統的慣性決定, 故也稱為慣性停機。

    （3）帶時間限制的自由停車。變頻器接到停機命令后，切斷變頻器輸出，負載自由滑行停止。這時，在運行待機時間T內，可忽略運行指令。運行待機時間T，由停機指令輸入時的輸出頻率和減速時間決定。

    （4）減速停機加上直流制動。變頻器接到停機命令后，按照減速時間逐步降低輸出頻率，當頻率降至停機制動起始頻率時，開始直流制動至完全停機。如圖7所示。

圖7   減速停車加直流制動

    直流制動是在電動機定子中通入直流電流，以產生制動轉矩。因為電動機停車后會產生一定的堵轉轉矩，所以直流制動可在一定程度上替代機械制動；但由于設備及電動機自身的機械能只能消耗在電動機內，同時直流電流也通入電動機定子中，所以使用直流制動時，電動機溫度會迅速升高，因而要避免長期、頻繁使用直流制動；直流制動是不控制電動機速度的，所以停車時間不受控。停車時間根據負載、轉動慣量等的不同而不同；直流制動的制動轉矩是很難實際計算出來的；直流制動需要設置的參數為：P1230－P1234；使用同步電動機時，不能使用直流制動！

    直流制動強度：即在定子繞組上施加直流電壓UDB或直流電流IDB的大小，它決定了直流制動的強度。如圖7所示。預置直流制動電壓UDB(或制動電流IDB)的主要依據是負載慣性的大小，慣性越大者，UDB也應越大。
直流制動時間：即施加直流制動的時間長短。預置直流制動時間tDB的主要依據是負載是否有“爬行”現象，以及對克服“爬行”的要求，要求越高者，tDB應適當長一些。

4 能耗制動和回饋制動方式

    4.1 基本概念

    不少的生產機械在運行過程中需要快速地減速或停車，而有些設備在生產中要求保持若干臺設備前后一定的轉速差或者拉伸率，這時就會產生發電制動的問題，使電動機運行在第二或第四象限。然而在實際應用中，由于大多通用變頻器都采用電壓源的控制方式，其中間直流環節有大電容鉗制著電壓，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控整流橋，不能使電流反向，因此要實現回饋制動和四象限運行就比較困難。

a   w1>w 電動



b   w1<w 發電

圖8  變頻器調速系統的二種運行狀態

    圖8a和圖8b所示為變頻器調速系統的二種運行狀態，即電動和發電。在變頻調速系統中，電動機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現的，在頻率減小的瞬間，電動機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電動機的轉子轉速未變。當同步轉速w1小于轉子轉速w時，轉子電流的相位幾乎改變了180度，電動機從電動狀態變為發電狀態；與此同時，電動機軸上的轉矩變成了制動轉矩Te，使電動機的轉速迅速下降，電動機處于再生制動狀態。電動機再生的電能P經續流二極管全波整流后反饋到直流電路。由于直流電路的電能無法通過整流橋回饋到電網，僅靠變頻器本身的電容吸收，雖然其他部分能消耗電能，但電容仍有短時間的電荷堆積，形成“泵升電壓”，使直流電壓Ud升高。過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。

    因此，對于負載處于發電制動狀態中必須采取必需的措施處理這部分再生能量。常用的方法是采用電阻能耗制動和交流回饋制動，由于這兩種方法與變頻器的功能設置息息相關，故在此重點描述，其他制動方法如共母線方式制動、復合制動等可具體見本書其他相關章節。

    電阻能耗制動在硬件上包括制動單元加制動電阻，通過制動單元的開斷來接通制動電阻，并以電阻發熱的形式消耗掉再生功率。在一些慣性較大、且需急降速或剎車的場合均可使用能耗制動，例如離心機、工業洗衣機、行車、電梯、紡織機械、造紙機械、拉絲機、繞線機、制藥、比例聯動系統等。

    交流回饋制動則不同，它是通過能量回饋電路，將多余的直流電壓直接以交流電的形式回饋到交流電網中去。它對長期頻繁制動或者位能負載的場合，具有大大節省能量的作用。

    這兩者的選用原則一般是：對于大容量的傳動系統來說，希望能把這部分再生回饋電能進行回收，因此多采用交流回饋制動，如大型軋鋼生產線、高速紙機生產線和大容量滌綸短纖維后處理生產線的傳動系統；而對于容量較小的傳動單機系統，考慮到回收能量的實際價值比問題，通常就把這部分能量釋放掉，因此大多可采用電阻能耗制動，如一般的傳送帶制動、機床主軸系統；對于特殊工藝的傳動系統，如易燃易爆場合，電阻能耗制動導致的熱能將有可能導致嚴重后果的，即使功率很小的單機系統也需考慮交流回饋系統，如酒精發酵拖動系統。

    盡管電阻能耗制動和交流回饋制動的原理不一樣，但對電動機的負載特性而言，“能耗”和“回饋”的方式制動效果一樣的，只是一個耗電（前者），一個節電（后者）。

    4.2 電阻能耗制動

    電阻能耗制動采用的方法是在變頻器直流側加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現制動。這是一種處理再生能量的最直接的辦法，它是將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉化為熱能。電阻能耗制動包括制動單元和制動電阻二部分，如圖9所示。

    制動單元的功能是當直流回路的電壓Ud超過規定的限值時接通耗能電路，使直流回路通過制動電阻后以熱能方式釋放能量。該限值電壓的選擇范圍根據品牌的不同而從630伏到800伏不等，用戶怎么選擇才是正確的呢？進口變頻器的參數選擇可以適應于不同電壓范圍，在中國使用時，必須按中國的電網特點進行選擇。制動限值電壓選擇基于兩個標準：①制動限值電壓必須足夠高，不能因為電網電壓升高而使制動單元誤動作。中國電網波動范圍較大，在很多地方，夜間電壓會超過交流450V,對應變頻器直流電壓為640VDC,安全的電壓設定點必須在這個數值以上。如果按進口變頻器標準把制動限值電壓設定在630VDC,十有八九會燒壞制動電阻。原因還在于電網電壓，發達國家電網波動指標是+10% -15%，我國電網波動實際范圍是+20%-20%。②制動限值電壓應該足夠低，盡量使變頻器工作在額定電壓附近，對設備安全運行有最大保證。選擇高的制動限值電壓，雖然可以保證制動單元不會誤動作，但是過高的電壓對設備長期安全運行是有很大影響的。特別對于元器件電壓等級選擇較低的變頻器，這種影響是明顯的。同時，電壓設設定過高會使電動機過電壓磁飽和，控制精度下降和電動機損耗加大。

    表2所示是不同電網電壓下、不同地區的推薦制動限值電壓，由此可知，對于我國大部分情況下應該選用690-700VDC的制動限值電壓。

    表2   變頻器調速系統的二種運行狀態

圖9   能耗制動和制動單元、制動電阻的連接方式

    4.3 回饋制動

    在減速期間，產生的功率如果不通過熱消耗（或電阻能耗制動）的方法消耗掉，而是把能量返回送到變頻器電源側的方法叫做“功率返回再生方法”，這種制動方式稱為“回饋制動”。在實際中，由于普通的變頻器并不具有這種功能，而是需要額外的"能量回饋單元"選件或者專用四象限變頻器。能量回饋單元的工作原理是把變頻器直流環節的電能，變換成一個和電網電源同步同相位的交流正弦波，把電能反饋回電網，再生利用。

    要實現直流回路與電源間的雙向能量傳遞，一種最有效的辦法就是采用有源逆變技術：即將再生電能逆變為與電網同頻率同相位的交流電回送電網，從而實現制動。圖10所示為回饋電網制動原理圖，它采用了電流追蹤型PWM整流器，這樣就容易實現功率的雙向流動，且具有很快的動態響應速度。同時，這樣的拓撲結構使得我們能夠完全控制交流側和直流側之間的無功和有功的交換。

圖10   回饋電網制動原理圖

    制動特點：①廣泛應用于PWM交流傳動的能量回饋制動場合，節能運行效率高；②不產生任何異常的高次諧波電流成分，綠色環保；③功率因數≈1；④多電動機傳動系統中，每一單機的再生能量可以得到充分利用；⑤節省投資，易于控制網側諧波和無功分量。

    交流回饋方式的最常見應用是油田磕頭機。

參考文獻：

    [1] 李方園. 變頻器行業應用實踐. 中國電力出版社. 2006.

    [2] 李方園. 變頻器自動化工程實踐. 電子工業出版社. 2007.

    [3] 張燕賓、胡綱衡、唐瑞球. 使用變頻調速技術培訓教程. 機械工業出版社. 2004.

    [4] 吳忠智、吳加林. 變頻器應用手冊（第2版）. 機械工業出版社. 2003.

    [5] 吳忠智、黃立培、吳加林. 調速用變頻器及配套設備選用指南. 機械工業出版社. 2002.

    編號：080526