引言
在通用變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調速傳動系統中，當電動機減速或者拖動位能負載下放時，電動機的實際速度將高於旋轉磁場的旋轉速度。爲了使電動機的實際速度與給定速度相符，就必須採取制動措施。異步電動機的制動方法有再生髮電制動、直流制動和機械抱閘制動。而機械抱閘制動直觀，這裏不做介紹，只介紹前面兩種電氣制動方法。爲了便於介紹電氣制動的原理與方法，首先回顧一下，異步電動機的運行原理。
異步電機運行原理
衆所周知，異步電動機的定子上裝有一套在空間上對稱分佈的三相繞組AX、BY、CZ如圖1所示。當給這三相繞組通以交流電時,則在定轉子氣隙中產生磁場。此磁場在任何瞬間都是三相繞組各磁場的總和。通過右手定則對圖1中不同瞬間電流與磁場方向的關係可知，合成磁場FΣ的方向與電流爲最大值那一相繞組的軸線方向一致。因此隨着電流最大值依次由A相→B相→C相→A相等順序變化，合成磁場的方向也依次指向A相→B相→C相→A相等各相繞組的軸線方向。這就是說，這個合成磁場是一個“旋轉磁場”。其旋轉速度n0(同步轉速)與交流電源頻率成正比，而與磁場極對數成反比。
圖1 旋轉磁場形成
由於旋轉磁場的作用，轉子導體切割磁場磁力線而產生感應電勢，這個感應電勢使閉合的轉子導體產生電流，通電導體在磁場中又受到一個力的作用，這個作用在導體上的力，將使異步電動機旋轉，其某一瞬間情況如圖2所示。根據右手定則可知轉子閉合導體電流的方向。再根據左手定則可知轉子導體受力方向。此作用力產生的轉矩XTD將克服阻力矩Mfz，使電機加速到電動力矩等於阻力矩爲止。
圖2 旋轉力矩形成
電氣制動的方法與原理
採用通用變頻器供電的異步電動機電氣制動有直流制動與再生髮電制動(能耗制動)兩種。現就這兩種制動方法與制動原理分述如下。
1 直流制動
直流制動是使變頻器向異步電動機的定子任意兩相通以直流電，異步電動機便處於能耗制動狀態。這種情況下變頻器的輸出頻率爲零，異步電動機的定子磁場不再旋轉。直流制動主要用於準確停車與防止起動前電動機由於外因引起的不規則自由旋轉(如風機類負載)。當直流制動用於準確停車時，一般都應先進行再生髮電制動，在電動機減速到較低時，進行直流制動。這是因爲高速時進行直流制動，異步電動機轉子電流的頻率與幅值都很高，轉子鐵損很大，導致電動機發熱嚴重，但得到的制動轉矩卻並不太大，另一方面準確停車也較難保證，而採用先再生髮電制動,等降頻到fDB再進行直流制動，只要合理調整fDB、制動時間tDB、制動直流電壓UDB就可確保準確停車。轉動着的轉子切割這個靜止磁場而產生制動轉矩，如圖3所示。旋轉系統存儲的動能轉換成電能消耗於異步電動機轉子迴路中。圖3的(a)與(b)還說明這種制動與通入直流電的極性無關。
圖3 直流制動原理
2 再生髮電制動
當給定頻率降低時，定子旋轉磁場的旋轉速度降低或位能負載下放倒拉。此時異步電動機轉子旋轉速度將超過旋轉磁場的旋轉速度，因此轉子導體中的感應電勢反向，電流反向，電動轉矩反向，如圖4，電動轉矩(與阻力矩同向)起制動作用，使電動機減速。此時的異步電動機相當於一臺異步發電機，將旋轉系統存儲的動能或重物下放的位能轉換成電能。這部分電能如果不進行處理，將引起直流側過壓，而引起故障跳閘或損壞變頻器，因此必須處理好這部分電能。其處理方法一般有如下三種:
圖4 發電狀態
(1) 動力制動
這種方法就是通過與直流回路濾波電容並聯的放電電阻，將這部分電能消耗掉，因此也稱再生能耗制動，如圖5所示，圖5中虛線框內爲制動單元(PW)，它包括內部制動電阻RB，制動用的晶體管VB等，VB的通斷是通過檢測直流電壓大、小來控制。實際上電阻中的電流是間歇的，所以西門子公司資料稱“脈衝電阻”(Pulsed
Resistor)。此單元實際上只起消耗電能防止直流側過電壓的作用。它並不起制動作用，但人們習慣稱此單元爲制動單元。要提高制動的快速性，就要快速消耗掉這部分電能，可以在圖5中H，G兩點間外接制動電阻REB，REB阻值與功率應符合產品樣本要求。
圖5 動力制動
(2) 再生制動
這種方法就是通過與整流器反並聯的回饋單元，將這部分電能回饋給電網如圖6所示，這種情況整流單元也必須採用晶閘管整流元件，一般採用邏輯無環流工作方式。回饋單元與電網之間應串接一臺自耦變壓器，此種制動方法雖然可以把旋轉系統存儲的能量回饋給電網，但對供電電網的要求比較高;一是電網電壓波動要小，且必須可靠;二是電網短路容量要大，否則在回饋期間，電源電壓偏低或電源被切斷，有源逆變器就會迅速直通，引起換流失敗，燒壞快速熔斷器及晶閘管元件。因此，對電網電壓波動較大(如帶有電爐負載的電網)，或採用接觸式供電(如行車、機車車輛)的場合以採用動力制動爲好，雖然浪費了一點電能，但可靠性大大提高。
圖6 回饋單元
(3) 直流公共母線
所謂直流公共母線是用一臺整流器給多臺逆變器供電如圖7所示，它利用工作在電動狀態的電動機吸收工作在發電狀態電動機的電能,但當發電狀態多於電動狀態時,吸收能力不足仍將引起直流過電壓，因此還需要有前面兩種方法之一(如圖7中虛線框所示)做後備吸收才較完美。
圖7 直流公共母線
通用型變頻器在異步電動機的調速系統中已得到了越來越廣泛的應用。爲了滿足生產機械快速制動與準確停車等方面的要求，必須對異步電動機進行制動，而機械抱閘閘皮容易磨損，維護工作量大，而且浪費電能，因此一般是先進行電氣制動，最後才進行機械抱閘以達到準確停車的目的。因此本文以交流異步電動機的運行原理爲基礎，着重介紹了採用變頻器供電的異步電動機的幾種方法與原理，指出了各種制動方法的優缺點及適應場合，以供從事這方面工作的人員參考