能耗制动中制动电阻的分析计算

2013-12-03商亚丹杨洪音

重型机械 2013年2期

焦悦，商亚丹，董波，佟冰，刘向，杨洪音

(中国重型机械研究院股份公司，陕西西安 710032)

0 前言

变频调速传动系统一般由变频器、异步电动机和机械负载组成，变频调速技术在电气传动中的应用有节能、经济、运行平稳、低速性能更稳定等优点;但设计者在考虑能耗制动时，对于制动单元和制动电阻的选取，通常按照制动电阻制造厂商推荐的制动单元与制动电阻的容量进行选择。然而，对于重载位能负载长时间下放的系统设计时，电阻的阻值直接决定着制动电流，从而直接影响制动时间的响应。这种粗略的方法将会造成制动时间不够精确，再生制动能量不能迅速释放等问题。如果在设计中，仅仅靠增大制动电阻阻值或功率来保证再生制动能量释放，则势必带来成本的增加和能量的浪费。本文重点分析并计算了变频调速中制动方式及技术参数。

1 制动方法的类型和特点

传动系统中所储存的机械能经异步电动机转换成电能，逆变器的六个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧，此时的逆变器处于整流状态，一旦电动机恢复到电动状态，这部分能量又被负载所重新利用。而在标准型的变频器中如果制动过快或机械负载为势能负载时，不采取另外的措施，这部分能量将导致中间回路储电电容器的电压上升过大，直流侧电压过高，进而导致变频器故障，无法正常运行。

对于再生能量的处理在变频器中有三种方式。

(1)能耗制动。变频器通过制动单元将再生制动能量消耗到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”上。当电动机速度从高速到低速直至零速调速过程中电气的频率变化很快，但电动机转子带动的机械负载具有较大的机械惯性，不可能很快停止，于是就产生反电势，使电动机处于发电状态，产生与原电动状态转矩相反的反向电压转矩，使电动机具有较强的制动力矩，从而迫使转子较快停下来。但是，通常变频器的控制原理是交-直-交变化，交直整流电路是不可逆的，因此无法回馈到电网上，结果造成主电路电容器两端电压升高，当超过设定上限值电压时，制动回路导通。电流通过制动电阻流过，将动能变热能消耗，电压随之下降，待到设定下限值时即断。这种制动方法称为能耗制动，制动时间可人为设定。

(2)直流制动。在异步电动机的定子绕组中加入直流电流时，变频器的输出频率为零，这时定子产生的磁场将是空间位置不变的恒定磁场，转子因惯性而继续以其原来的速度旋转，转动的转子切割这个静止磁场而产生制动力矩，迫使电动机转子较快的停止，这样系统存储的动能转换成电能消耗于电动机的转子回路，进而达到电动机快速制动的效果。

(3)回馈(再生)制动。这种方式是将再生制动能量回馈到电网。适用于电动机功率较大，设备的转动惯量较大，减速降幅较大，制动时间较短，反复短时连续工作，需要强力制动的场合。在这种方式中，为减少制动过程的能量损耗，通过在直流侧设置公共母线的逆变桥直接供给处于电动状态的电机，使动能变为电能回馈到电网，以达到既制动又节能的功效，从而大大提高了能量的再生利用率。

前两种工作状态，称为动力制动状态;后一种工作状态，则称为再生制动状态。再生制动能量回馈方式需要使用回馈制动装置，这种方式系统的价格较贵。本文主要分析第一种能耗制动的方式。

2 制动电阻功用和类型

2.1 制动电阻的功用

(1)保护变频器不受再生制动能量的危害。电机在快速停车过程中，由于惯性作用，会产生大量的再生电能，如果不及时消耗掉这部分再生电能，就会直接作用于变频器的直流电路。轻者，变频器报故障;重者，会损坏变频器。制动电阻的出现，很好的解决了这个问题，保护变频器不再受电机再生电能的危害。

(2)保证电源网络的平稳运行。制动电阻将电机快速制动过程中的再生电能直接转化为热能，这样再生电能就不会反馈到电源网络中使其产生干扰，也不会造成电网电压波动，从而保证了电源网络和电网上其它设备的平稳运行。

2.2 制动电阻类型和参数

制动电阻的类型很多，通常工程中选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻。(1)波纹电阻。采用陶瓷管作为骨架，用波纹状合金电阻丝均匀绕制，功能为将电机的再生电能转化为热能，同时也具有散热器的功效。(2)铝合金电阻。具有极强的耐震动性、耐气候性和稳定性，优于传统瓷骨架电阻器，广泛应用于高要求恶劣工控环境。

制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，所以它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。

3 制动电阻的分析计算

通常设计者在考虑能耗制动时，对于制动单元和制动电阻的选取，只是按照制动电阻制造厂商推荐的制动单元与制动电阻的容量进行选择。然而，对于重载位能负载长时间下放的系统设计时，电阻的阻值直接决定着制动电流，从而直接影响制动时间的响应。这种粗略的方法将会造成制动时间不够精确，再生制动能量不能迅速释放等问题。如果在设计中，仅仅靠增大制动电阻阻值或功率，来保证再生制动能量释放，则势必带来成本的增加和能量的浪费。

制动电阻的选取和计算方法有很多种，从工程角度来讲，要精确计算制动电阻的阻值和功率需要考虑的因素很多。

3.1 利用制图方法计算制动电阻

3.1.1 计算内部动态制动电阻

能耗制动中如果变频器内部的制动电阻能够满足使用要求时，那么使用内部制动电阻是首选，因为它既节约成本又节省安装空间。典型的电机转速、力矩和功率的分布图如图1所示。图中一个周期为t4。

电机惯量的关系如图2所示，计算公式见式(1)。

式中，JT为转换到电机轴上的总惯量(kg·m2);Jd为电机惯量(kg·m2);Jf为负载惯量(kg·m2);i为传动比。

计算峰值制动功率P^b为

计算平均动态制动电阻耗散能量Pav为

计算动态制动平均负载率AL为:

式中，AL为动态制动平均负载率(这个值不能超过100%);Pdb为动态制动电阻固定耗散功率(W)。

计算动态制动电阻峰值负载率PL为

典型的功率曲线图如图3所示。将计算出的AL值与(t3－t2)的减速时间相交的点绘制出来，再将计算出的PL值与垂直坐标相交的点绘制出来，将这两点用直线连接起来。当这条直线完全位于曲线的左侧时，说明这个驱动装置内部的电阻器足够使用。当这条直线有部分位于曲线的右侧时，将通过增加减速时间使这条直线完全位于曲线的左侧，但这个时间设定需在驱动器可设置范围内，并能正常应用于设备的工艺状态。当这些条件都不能满足要求时，就要选择一个外部制动电阻了。

图3 典型电阻功率曲线图Fig.3 Curves of typical resistance

3.1.2 计算外部动态制动电阻

首先计算最大制动电阻值Rdb1为

式中，Rdb1为最大制动电阻值(Ω)，Vdc为用于计算最大功率的直流母线电压(每种类型的变频器说明书上都会给出)。

所选择使用的外部制动电阻值一定要比这个计算值小，否则变频器将报直流侧过压故障。同时这个值还应大于供货说明书中最小制动电阻的值。外部制动电阻的功率值按计算出的 (W)选取。

3.2 根据制动再生能量计算制动电阻

电动机功率计算公式

式中，P为功率;M为电机力矩(也称扭矩);N为电机转速。

当电动机处于制动状态时，制动能量反馈到变频器直流侧时，

式中，ηmot为电机效率;ηINV为变频器效率。

将式(6)代入式(7)中可得

这里VDC根据变频器不同，选型参数里可查得，一般200 V级变频器VDC=360 V，400 V级变频器VDC=720 V。

3.3 根据转动惯量计算制动电阻

(1)计算制动力矩。

式中，TB为制动力矩(N·m);Jd为电机转动惯量(kg·m2);Jf为折算到电机轴的负载转动惯量(kg·m2);n1为减速开始速度(r/min);n2为减速完成速度(r/min);ts为减速时间(s);Tf为负载转矩(N·m)。

(2)计算制动电阻的阻值。当发生再生制动的时候，电动机抽动力矩相当于20%额定转矩。当抽动力矩小于20%额定转矩时，则没有必要安装外部制动电阻。即

式中，TM为电机额定转矩(N·m)。

首先初选制动电阻的最大值

式中，VDC为直流回路阈值电压(V)，不同厂家的变频器电压阈值不同。

因此，所选取的电阻值范围应为Rmin＜R＜Rmax。

(3)计算制动电阻的额定功率。

4 制动单元的选配

制动单元的作用是当直流回路的电压超过规定的限值时，制动单元接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式两种，前者是适用于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或对制动有特殊要求的工况。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，主要包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。同时制动单元还有一些辅助功能，如制动电压可调，制动电阻工作时有超时保护，散热器过热保护，故障显示及故障输出等。

在选择制动单元时为了保护电路的正常工作，制动单元的额定电流一般按正常直流侧的电压下，流过电阻的电流的2倍来选择。