船用大功率永磁同步电动机变频器制动电阻的设计

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【摘 要】永磁同步电动机的变频器制动是船舶电力推进系统的重要组成部分，本文首先分析烟大轮渡变频器装置，了解变频器的结构和基本组成部分，然后分析制动电阻的功用，设计出制动电阻的信号获取电路和电阻接入电路。

【关键词】永磁同步电动机；变频器；制动电阻

0 引言

永磁同步电机出现于20世纪50年代[1]，其运行原理与普通电激磁同步电机相同，但以永磁体激磁代替激磁绕组激磁，使电机结构更为简单，降低了加工装配费用，同时还省去容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的可靠性。由于无需激磁电流，没有激磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。因此，近年来，大功率永磁同步电动机越来越广泛地应用于船舶电力推进系统。文章基于烟大轮渡船用电力推进系统开展研究。

1 船用电压型交直交变频调速装置

电推系统的核心，即变频器，烟大轮渡所用变频器为ABB公司的型号为ACS600M的低压大功率水冷式变频器，额定电压为690V，额定功率为5140kVA，额定电流4272A。它采用目前最先进的直接转矩控制技术（DTC），计算精度和控制精度都非常高，快速性好，转矩特性好。

1.1 变频器的种类

根据能量变换的形式不同，电力变换装置可以分为直接变换装置和间接变换装置两类：

直接变换装置通常称为直接变频器、交-交变频器或循环变频器。它直接把电源频率的交流电变换为较低频率的交流电。在电路结构上，它由接到同一交流电源上的若干个相控整流器组成。按照一定的规律控制各相控整流器的控制角，使整流器工作在直流或有源逆变状态，在循环变频器的输出端就可以得到由多相直流波的保络线所组成的较低频率的交流电。

间接变换装置是先把电源频率的交流电整流为直流，经过中间直流电路（又称中间直流环节）以后，在逆变（无源电源）为频率可调的交流电。中间直流电路的变流器（整流器和逆变器）必须能够在互不干扰的情况下工作，故中间直流电路要有大电容或大电感作为储能元件。在直接直流电路的正、负两端是并联大电容作为储能元件的，它能大大降低电源侧的阻抗，从而可以看成是一个电压源。通常把这种电力变换装置称为电压型逆变器。在中间直流电路中串接大电抗器作为储能元件的，能大大增加电源侧的阻抗，从而可以看成是一个电流源。通常把这种电力变换装置称为电流型逆变器。

1.2 烟大轮渡变频器的基本构成

烟大轮渡的变频器的基本构成如下图1所示，它由整流、滤波、逆变及控制回路等部分组成。交流电源经整流、滤波后变成直流电源，控制回路有规则的控制逆变器的导通和截止，使之向电机输出电压和频率可变的电源，驱动电动机运行。

2 制动电阻

2.1 制动电阻的功能

船舶在电阻制动时，制动电阻与牵引电机电枢构成回路，这时，电动机作为发电机运行，所发电在制动电阻上产生大量的热。同时，转子中由于该电流的流通，在磁场的作用下产生于原动机方向相反的电磁力矩，阻止转子的转动，从而对船舶产生制动力矩，船舶采用电阻制动能使船舶快速制动，提高船舶的安全性[2]。

电动机在工作频率下降的过程中，其转子的转速会超过此时的同步转速，处于再生（回馈）制动状态，拖动系统动能要反馈到直流电路中，但直流电路的能量无法回馈给交流电网，只能由电容器组吸收，使直流电压UD不断上升（称为“泵升电压”），升高到一定程度，就会对变流器件造成损害。为此，在电容器组旁并联一个由制动电阻（制动单元）和IGBT相串联的电路。当再生电能经逆变器的续流二极管反馈到直流电路时，将使电容器的电压升高，触发导通与制动电阻相串联的功率开关，让电容放电电流流过制动电阻，再生电能就会消耗在电阻上，达到制动和降低中间直流电压的目的。

在变频调速系统中，减速的方法是通过逐步降低给定频率来实现的。在频率下降过程中，电动机将处于再生制动状态（发电机状态） ，使得电动机的转速迅速地随频率的下降而下降。在制动过程中，泵升电压的产生会导致直流母线上的电压升高，此时变频器会控制刹车单元通过刹车电阻把升高的电压以热能的方式消耗掉。为了使得系统平稳降速，需要设置适当的减速时间，同时选择合适的制动电阻和制动单元。

制动电阻用于扩展制动功率。当制动单元内部电阻的制动功率不够时，需要制动单元外接制动电阻，此时注意，制动单元内部的点左右不能与外部的电阻同时使用，小容量变频器一般都有内接制动电阻和制动单元。只要制动单元内部的电阻满足负载要求的制动功率，就不需要选用外部自动电阻。但是为了控制，保护和监控外部的制动电阻，必须选用同等功率的制动单元与外部制动电阻匹配。

如果制动单元/制动电阻选择的功率不够，制动单元会自动关闭，变频器因“直流过高”的故障而停机。此时需要扩大制动功率，可以通过并联制动单元（加制动电阻）来实现，但每个制动电阻必须带自己的制动单元。并联后在快速制动时仍然容易出现过电压，说明内接制动电阻的阻值太大（或者被烧毁），来不及放电（或者没有放电回路），则可另行选择外接制动电阻。

2.2 驱动电路

2.2.1 驱动电路设计

如图2电路所示，图中VD5～VD8上的电压降为IGBT提供反向偏置。工作过程是，当光耦VL得到信号而导通时，则V1导通且饱和，V2随即导通，V3截止，使IGBT导通，即有制动电流流经RB；当VL失去信号而截止时，V1截止，随即V2截止，V3导通，IGBT因反向偏压而截止，这样多次翻身将动能变电能，消耗在制动电阻RB上，以发热方式损耗。

2.2.2 工作信号的取出

如图3所示，信号由测量直流母线电容两端电压得到，当UD超上限值931V时，比较器的输出为“+”，则光耦VL输出信号电流，再推动驱动电器，实现能耗制动工作状态；当UD低于下限值931V时，比较器的输出为“-”，则光耦VL输出无电流，这时驱动电路不工作，处于不制动工作状态。

3 结语

本文为船舶制动电阻的设计研究做了一定的工作，对船舶制动电阻的设计开发有一定的借鉴意义。

【参考文献】

[1]杨文雷，蒋廷彪.基于DSP的永磁同步电机速度与位置计算方法[J].信息通信，2011（3）：7-8.

[2]张洋，吴旖.用于船舶综合电力推进的同步发电机电磁设计[J].电工技术学报，2013，28（10）：67-74.