4.1 基本概念
不少的生产机械在运行过程中需要快速地减速或停车，而有些设备在生产中要求保持若干台设备前后一定的转速差或者拉伸率，这时就会产生发电制动的问题，使电动机运行在第二或第四象限。然而在实际应用中，由于大多通用变频器都采用电压源的控制方式，其中间直流环节有大电容箝制着电压，使之不能迅速反向，另外交直回路又通常采用不可控整流桥，不能使电流反向，因此要实现回馈制动和四象限运行就比较困难。
a）ω1>ω 电动 b） ω1<ω发电
图8 变频器调速系统的二种运行状态
图8（a）和图8（b）所示为变频器调速系统的二种运行状态，即电动和发电。在变频调速系统中，电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速ω1小于转子转速ω时，转子电流的相位几乎改变了180°，电动机从电动状态变为发电状态;与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩te，使电动机的转速迅速下降，电动机处于再生制动状态。电动机再生的电能p经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压ud升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。
因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取措施处理这部分再生能量。常用的方法是采用电阻能耗制动和交流回馈制动，由于这两种方法与变频器的功能设置息息相关，故在此重点描述，其他制动方法如共母线方式制动、复合制动等可具体见参考文献[2]的相关章节。
电阻能耗制动在硬件上包括制动单元加制动电阻，通过制动单元的开断来接通制动电阻，并以电阻发热的形式消耗掉再生功率。在一些惯性较大、且需急降速或刹车的场合均可使用能耗制动，例如离心机、工业洗衣机、行车、电梯、纺织机械、造纸机械、拉丝机、绕线机、制药、比例联动系统等。
交流回馈制动则不同，它是通过能量回馈电路，将多余的直流电压直接以交流电的形式回馈到交流电网中去。它对长期频繁制动或者位能负载的场合，具有大大节省能量的作用。
这两者的选用原则一般是:对于大容量的传动系统来说，希望能把这部分再生回馈电能进行回收，因此多采用交流回馈制动，如大型轧钢生产线、高速纸机生产线和大容量涤纶短纤维后处理生产线的传动系统;而对于容量较小的传动单机系统，考虑到回收能量的实际价值比问题，通常就把这部分能量释放掉，因此大多可采用电阻能耗制动，如一般的传送带制动、机床主轴系统;对于特殊工艺的传动系统，如易燃易爆场合，电阻能耗制动导致的热能将有可能导致严重后果的，即使功率很小的单机系统也需考虑交流回馈系统，如酒精发酵拖动系统。
尽管电阻能耗制动和交流回馈制动的原理不一样，但对电动机的负载特性而言，“能耗”和“回馈”的方式制动效果一样的，只是一个耗电（前者），一个节电（后者）。
4.2 电阻能耗制动
电阻能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能。电阻能耗制动包括制动单元和制动电阻二部分，如图9所示。
图9 能耗制动和制动单元、制动电阻的连接方式
制动单元的功能是当直流回路的电压ud超过规定的限值时接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。该限值电压的选择范围根据品牌的不同而从630v到800v不等，用户怎么选择才是正确的呢？进口变频器的参数选择可以适应于不同电压范围，在中国使用时，必须按中国的电网特点进行选择。制动限值电压选择基于两个标准:
（1）制动限值电压必须足够高，不能因为电网电压升高而使制动单元误动作。中国电网波动范围较大，在很多地方，夜间电压会超过交流450v,对应变频器直流电压为640vdc,安全的电压设定点必须在这个数值以上。如果我们按进口变频器标准把制动限值电压设定在630vdc,十有八九会烧坏制动电阻。原因还在于电网电压，发达国家电网波动指标是+10% -15%，我国电网波动实际范围是+20%-20%。
（2）b、制动限值电压应该足够低，尽量使变频器工作在额定电压附近，对设备安全运行有最大保证。
选择高的制动限值电压，虽然可以保证制动单元不会误动作，但是过高的电压对设备长期安全运行是有很大影响的。特别对于元器件电压等级选择较低的变频器，这种影响是明显的。同时，电压设定过高会使电动机磁路过饱和，控制精度下降和电动机损耗加大。
表2 变频器调速系统的二种运行状态
表2所示不同电网电压下、不同地区的推荐制动限值电压。由表2中可知，对于我国大部分情况下应该选用690-700vdc的制动限值电压。
制动单元根据安装形式可分内置式和外置式二种，前者是适用于中小功率的通用变频器，后者则是适用于中大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。
图10 回馈电网制动原理图
4.3 回馈制动
在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗（或电阻能耗制动）的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做"功率返回再生方法"，这种制动方式称为“回馈制动”。在实际中，由于普通的变频器并不具有这种功能，而是需要额外的"能量回馈单元"选件或者专用四象限变频器。能量回馈单元的工作原理是把变频器直流环节的电能，变换成一个和电网电源同频率、同相位的交流正弦波，把电能反馈回电网，再生利用。
要实现直流回路与电源间的双向能量传递，一种最有效的办法就是采用有源逆变技术:即将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。图10所示为回馈电网制动原理图，它采用了电流追踪型pwm整流器，这样就容易实现功率的双向流动，且具有很快的动态响应速度。同时，这样的拓扑结构使得我们能够完全控制交流侧和直流侧之间的无功和有功的交换。
制动特点:
（1）广泛应用于pwm交流传动的能量回馈制动场合，节能运行效率高;
（2）不产生任何异常的高次谐波电流成分，绿色环保;
（3）功率因数≈1;
（4）多电动机传动系统中，每一单机的再生能量可以得到充分利用;
（5）节省投资，易于控制网侧谐波和无功分量。
交流回馈方式的最常见应用是油田磕头机。
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