變頻器的系統(tǒng)中制動電阻與制動單元的解析

一、描述

在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)的降速和停機(jī)是通過逐漸減小頻率來實(shí)現(xiàn)的，在頻率減小的瞬間，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變。當(dāng)同步轉(zhuǎn)速小于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的相位幾乎改變了180度，電機(jī)從電動狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)；與此同時(shí)，電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩變成了制動轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速下降，電機(jī)處于再生制動狀態(tài)。電機(jī)再生的電能經(jīng)續(xù)流二極管全波整流后反饋到直流電路。

過高的直流電壓將使各部分器件受到損害。因此，對于負(fù)載處于發(fā)電制動狀態(tài)中必須采取必需的措施處理這部分再生能量。處理再生能量的方法有能耗制動和回饋制動。能耗制動采用的方法是在變頻器直流側(cè)加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實(shí)現(xiàn)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(zhuǎn)化為熱能，因此又被稱為“電阻制動”，它包括制動單元和制動電阻二部分。

二、制動單元和制動電阻的介紹

1、制動單元的介紹

　　制動單元相當(dāng)于是一個電子開關(guān)，其內(nèi)部的主要元件為IGBT模塊，有一個直流電壓檢測電路，輸出一個制動動作信號，來控制電子開關(guān)的通和斷。接通時(shí)將制動電阻接入變頻器的直流回路，對電機(jī)的再生電能進(jìn)行快速消耗，以維持直流回路的電壓在容許值以內(nèi)。制動單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓超過規(guī)定的限值時(shí)，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。制動單元可分內(nèi)置式和外置式二種，前者是適用于小功率的通用變頻器，后者則是適用于大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工況中。從原理上講，二者并無區(qū)別，都是作為接通制動電阻的“開關(guān)”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動電路。

2、制動電阻的介紹

　　制動電阻是用于將電機(jī)的再生能量以熱能方式消耗的載體，它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數(shù)。通常在工程上選用較多的是波紋電阻和鋁殼電阻兩種：波紋電阻采用表面立式波紋有利于散熱減低寄生電感量，并選用高阻燃無機(jī)涂層，有效保護(hù)電阻絲不被老化，延長使用壽命；鋁殼電阻在耐氣候性、耐震動性上都優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛應(yīng)用于高要求惡劣工控環(huán)境使用，易緊密安裝、易附加散熱器，外型美觀。

制動電阻的功用：

（1）保護(hù)變頻器不受再生電能的危害

　　電機(jī)在快速停車過程中，由于慣性作用，會產(chǎn)生大量的再生電能，如果不及時(shí)消耗掉這部分再生電能，大量的再生電能就會直接作用于變頻器的直流電路部分。輕者，變頻器會報(bào)故障，重者，則會損害變頻器。因此，應(yīng)該使用制動電阻，保護(hù)變頻器不受電機(jī)再生電能的危害。

（2）保證電電源網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行

　　制動電阻將電機(jī)快速制動過程中的再生電能直接轉(zhuǎn)化為熱能，這樣再生電能就不會反饋到電源電網(wǎng)絡(luò)中，不會造成電網(wǎng)電壓波動，從而起到了保證電源網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行的作用。

三、制動單元和制動電阻的制動過程

能耗制動的過程如下：

　　A、當(dāng)電機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)即以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高；

　　B、當(dāng)直流電壓到達(dá)制動單元開的狀態(tài)時(shí)，制動單元的功率管導(dǎo)通，電流流過制動電阻；

　　C、制動電阻消耗電能為熱能，電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，母線電壓也降低；

　　D、母線電壓降至制動單元要關(guān)斷的值，制動單元的功率管截止，制動電阻無電流流過；

　　E、采樣母線電壓值，制動單元重復(fù)ON/OFF過程，平衡母線電壓，使系統(tǒng)正常運(yùn)行。

四、制動單元和制動電阻的設(shè)計(jì)計(jì)算

1、設(shè)計(jì)計(jì)算

（1）首先估算出制動轉(zhuǎn)矩

　　制動轉(zhuǎn)矩 = [（電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量+電機(jī)負(fù)載測折算到電機(jī)測的轉(zhuǎn)動慣量）*（制動前速度-制動后速度）]/375*減速時(shí)間-負(fù)載轉(zhuǎn)矩。一般情況下，在進(jìn)行電機(jī)制動時(shí)，電機(jī)內(nèi)部存在一定的損耗，約為額定轉(zhuǎn)矩的18%-22%左右，因此計(jì)算出的結(jié)果在小于此范圍的話就無需接制動裝置；

（2）接著計(jì)算制動電阻的阻值

　　電阻的阻值 = 制動元件動作電壓值的平方/（0.1047*(制動轉(zhuǎn)矩-20%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩）*制動前電機(jī)轉(zhuǎn)速）。在制動單元工作過程中，直流母線的電壓的升降取決于常數(shù)RC，R即為制動電阻的阻值，C為變頻器內(nèi)部電解電容的容量。這里制動單元動作電壓值一般為690V。

（3）然后進(jìn)行制動單元的選擇

　　在進(jìn)行制動單元的選擇時(shí)，制動單元的工作最大電流是選擇的唯一依據(jù)，其計(jì)算公式如下：制動電流瞬間值 = 制動單元直流母線電壓值/制動電阻值

（4）最后計(jì)算制動電阻的標(biāo)稱功率

　　由于制動電阻為短時(shí)工作制，因此根據(jù)電阻的特性和技術(shù)指標(biāo)，我們知道電阻的標(biāo)稱功率將小于通電時(shí)的消耗功率，一般可用下式求得：制動電阻標(biāo)稱功率 = 制動電阻降額系數(shù) X 制動期間平均消耗功率 X 制動使用率%

2、有關(guān)說明書的制動電阻值

　　變頻器說明書中的制動電阻數(shù)據(jù)只是一個參考數(shù)據(jù)。因?yàn)樵谔峁┲苿与娮钄?shù)據(jù)時(shí)，要受到兩個因素的制約：

　�。�1）負(fù)載的慣性大小和工況是千差萬別的，實(shí)際上不存在一個可用于各種情況的制動電阻值及其容量。

　　（2）變頻器生產(chǎn)廠為了減少制動電阻的檔次，常常對若干種不同容量的電動機(jī)提供相同阻值和容量的制動電阻。

　　所以，在選擇制動電阻時(shí)，不應(yīng)該盲目地按說明書選。而應(yīng)注意根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的具體情況進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整的基本規(guī)律是：負(fù)載的慣性大，則制動電阻值應(yīng)適當(dāng)減小；制動時(shí)間較長或制動比較頻繁者，應(yīng)適當(dāng)加大制動電阻的容量。

五、結(jié)束語

　　變頻器已廣泛應(yīng)用在三相交流電動機(jī)調(diào)速控制中，制動單元和制動電阻作為其附屬設(shè)備起相當(dāng)重要的作用。制動單元和制動電阻在變頻能耗制動的場合應(yīng)用廣泛，并且還能滿足大位能負(fù)載下放時(shí)的平穩(wěn)、快速制動的要求。國產(chǎn)制動單元和制動電阻的制作工藝完備，質(zhì)量良好，造價(jià)低廉，值得推廣應(yīng)用。

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