空预器变频器制动单元的应用与解析

朱旦亮+++钟天翔

摘 要：通过对空预器变频器及其负载特性的功率计算，合理选择制动单元接入变频器直流回路并设置恰当的控制参数以消除制动过程中产生的再生过电压，最终提高了变频器应对不同负载波动的安全稳定性。

关键词：变频器；制动单元；应用

引言

空气预热器是火力发电厂锅炉系统中的重要组成部分，实际运行中如果其转子摩擦卡涩会引起驱动电机变频器故障跳闸进而导致机组RB或停机。针对此类故障一方面应尽量避免转动机械的发生变形摩擦，另一方面可以考虑在驱动变频器直流回路接入制动单元以实现空预器卡涩波动状态下的再生制动。即以制动单元把电动机回馈的再生过电压以热能的方式消耗掉，维持直流母线电压在正常水平，保证变频器在负载波动时可靠运转不发生故障停机。接入制动单元的选择和接线方法及变频器相关控制参数的设置都必须根据不同的现场设备具体分析计算，并结合实际使用效果进一步调整优化，可以达到提高变频器驱动设备安全稳定性能的效果。

1 空预器变频器运行现状

玉环发电厂四台1000MW发电机组配套锅炉为哈尔滨锅炉厂有限公司引进三菱重工业株式会社（Mitsuibishi Heavy Industries Co. Ltd）技术设计制造的HG-2953/27.46-YM1型一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、超超临界变压运行直流锅炉。其中每台锅炉安装2台空气预热器，选用哈尔滨锅炉厂有限责任公司生产的哈锅34-VI（T）-1850（2000）-SMR型三分仓回转式空气预热器并配装变频器驱动电机正常运转。

每台预热器转子配备主辅两台驱动电机（两电机参数相同，额定功率30kW，额定电压380V，额定转速1450r/m），主电机与减速机直接连接，辅电机通过超越离合器与减速机连接，两台电机一台工作，一台备用，并且设置有空预器气动盘车装置。转子运行转速分为正常转速模式和低速模式，低速模式为预热器清洗时采用，正常转速为1r/min。设计考虑减少空预器转子启动过程中的机械冲击，延长设备使用寿命，故转子启动采用变频斜坡软启动方式。转子启动后，变频器以50HZ的固定频率运行，驱动空预器主、辅电机的变频控制柜采用A-B Power FleX 70变频器，一旦主变频故障跳闸，由DCS联锁信号运方启动辅变频继续运行。

空预器本体技术参数见表1。

#2机组2B空预器在正常运行中变频器电流稳定在21A左右轻微波动，范围在20A到21.8A。变频器母线电压在586V，没有加装外接制动单元。某次空预器中落入因震动松脱的冲洗水管杂物导致转子产生周期性剧烈磨擦，变频柜运行电流急剧变化，并听到空预器内部有断续摩擦卡涩声音。此时变频器运行电流上升到32～97A左右，变频器母线电压在580～700V之间跳变，空预器主电机75秒后跳闸且变频器发“Over Voltage”即内部直流过电压故障报警；系统自动切换到空预器辅电机变频运转后仍有转子摩擦，电流持续波动。主电机变频经复位过电压故障后恢复正常待机状态，空预器转子经过一段时间把杂物磨擦削平后，电流逐渐平稳并回到正常范围。

2 故障分析

空预器变频器正常运行时变频器按固定频率50Hz驱动电动机，电机经减速机直接连接转子并带动其旋转。当转子的转动受阻卡涩，电机的转速下降，这时的电机相当于再生制动状态（即发电机状态），随着转速的下降，电机产生的回馈电压叠加在变频器的母线电压上，导致母线电压升高，当电压升高超过700V，由于外部没有接制动单元，这部分能量无处消化，引发变频器发出“Over Voltage”即内部直流过电压故障并跳闸。所以从提高驱动变频器抗负载波动能力方面考虑可以采用外接制动单元的方式把由于再生制动升高的变频器母线电压以热能的方式消耗掉，同时为使系统平稳调速需设置适当的加减速时间等控制参数。

3 制动单元的选择

目前计算制动单元的方法很多，从工程角度通常是估算出制动单元的电阻阻值和功率容量两个重要参数。制动单元是按照短时间歇性工作设计的电子设备，其在大电流下长时间工作的能力有限，因此应用时必须合理选型，保证制动单元工作不会因通过过大的电流和过热而损坏。制动单元的选型是以其额定电流和峰值电流为依据的。额定电流的大小与制动单元能够长时间连续工作的电流成正比，而峰值电流则代表了制动单元所能通过的最大电流。要保证制动单元正常工作，必须保证流过制动单元的最大电流小于其峰值电流，且最大电流与制动频率Kc 的乘积小于其额定电流。

制动单元在工程上通常选用的是波纹电阻和铝合金电阻两种：波纹电阻采用表面立式波纹有利于散热和减低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化；铝合金电阻易紧密安装、易附加散热器，外形美观具有较强的耐振性，更适于应用在高度恶劣工业环境中。考虑到稳定性及安全因素，空预器变频器选择外接波纹电阻。

3.1 制动单元动作电压准位

当直流母线电压大于或等于制动电压准位时，制动单元才投入工作进行能量消耗，经查A-B Power FleX 70变频器400V制动电压准位是母线电压大于或等于690V。制动电压准位对照如表2。

表2 制动电压准位对照 （单位：V）

注：容许输入电源有±10%的变动。

3.2 制动频率

首先需确定系统的制动频率Kc，通过降低制动频率可以让制动单元和波纹电阻有充分的时间来解除因制动而产生的热量。当波纹电阻发热时，电阻值将会随温度的上升而变高，制动转矩亦随之减少。Kc定义为系统制动时间占总制动周期的时间比例。

制动频率Kc=制动持续时间T1/制动周期T2×100%，如图1所示。

图1

不同的负载类型，其实际制动频率Kc也会有所不同，因此尽可能根据实际调速设备的运行状况来确定Kc的值。在无法确定实际负载运行情况时，可以参考以下的经验取值。常见负载类型的制动频率如下：endprint

电梯Kc=10-15%

油田磕头机Kc=10-20%

开卷和卷取Kc=50-60%

离心机Kc=5-20%

下放高度超过100 米的吊车Kc=20-40%

偶然制动的负载Kc=5%

其他Kc=10%

经查空预器转速为1r/min，经观察空预器转子与密封之间的摩擦是断续的，从DCS调出该电机电流，查看60S内电流的峰值，累加电流峰值持续的时间，经反复观察电机电流升到70A左右时，母线电压大约650V左右，认为母线电压超过650V时其峰值电压超过700V的可能性较大，即达到制动单元动作电压准位，制动单元起作用。累计70A以上峰值持续时间为5S，制动频率=5/60约为8%，估算为10%。

3.3 制动单元的计算

3.3.1 阻值计算

在制动或负载卡涩过程中，电动机将处于再生制动状态，产生感应电压使电路中制动开始瞬间的电压接近额定电压的2倍。在实际制动中，当放电电流接近电动机额定电流一半时，就可以得到与电动机额定转矩相同的制动转矩了，参考设备厂家提供计算制动单元电阻值的经验公式粗略计算为：

RB=

式中UD为允许最大制动电压，IMN为电动机额定电流。为了保证变频器不受损害，必须限定当流经制动单元的电流为额定电流时电阻数值为制动电阻的最小数值。选择制动电阻时，不能小于该阻值。

RBmin=

综上所述，实际制动电阻数值的选择范围是

3.3.2 功率的选择

当制动电阻在直流电压为制动电压状态中工作时，其消耗的功率为：

P0=

耗用功率的含义是：如果电阻的功率按此数值选择，该电阻可以长时间地接入在电路中工作。现场中制动电阻的功率主要取决于制动频率Kc。因为系统的进行制动时间比较短，在短时间内，制动电阻的温升不足以达到稳定温升。所以，决定制动电阻容量的原则应在制动电阻的温升不超过其允许数值即额定温升的前提下，尽可能减少容量。粗略计算为

PB=λP·Kc

其中，λ为制动电阻的降额系数；PB为制动电阻的功率。

综上所述，根据空预器变频器实际设备参数，即电动机30KW额定电流57A，变频器额定功率37KW，输入电压400V可以计算出得制动电阻的取值范围是

13.2Ω

再根据成型配套产品实际选择阻值为25Ω的波纹电阻箱（BRU 8KW/25R），每台变频器加装一台波纹电阻箱且通过16mm2软铜电缆接至变频器正负制动端子上。通电调试时再根据产品手册修改变频器程序控制参数：D163项设置为“1”即选用外部制动电阻，D161，D162项设置为“2”即母线调节模式设为动态制动。

4 制动单元的应用效果

经过上述制动单元的计算选型及控制程序调整，波纹电阻接入变频器直流母线参与再生制动经过一周时间的试运行，在负荷平稳及波动两种状态下变频器的母线电压和运行电流都较稳定，并且没有超温故障发生。在空预器转子有轻微周期性摩擦工况下，母线电压最高瞬时波动到685V左右变频器仍保持持续运行。判断制动单元选型是否正确的最终依据，是确保任何情况下，流过制动单元的电流都不超过制动单元的最大电流，避免制动单元因过流而损坏。同时任何情况下制动单元自身的温度都不会超过70℃，避免制动单元因过热而损坏。现场测量制动电阻的温度在环境温度26℃下最高不大于39℃，符合相关要求。如果制动单元在调试或运行中发现以下故障现象，可参见变频器制动单元故障原因分析表，见表3查找相处理方法。

变频器制动单元故障原因分析表见表3。

表3

5 结束语

变频器制动单元的选择与安装关系到变频器运行的可靠性，其中制动电阻阻值和功率的计算都是从工程角度来考虑，所以在实际应用时要结合现场具体设备运行工况来调试优化，以便形成一个兼顾安全性和经济性的制动单元应用方案。通过以上应用实践说明只要合理选择制动单元接入变频器并设置恰当的控制参数就可以消耗运行中的再生过电压，提高变频器应对不同负载波动下的安全稳定性，值得在类似设备应用中推广使用。

参考文献

[1]戴广平.电动机变频器与电力拖动[M].北京：中国石化出版社，1999.

[2]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福州：福建科学技术出版社，2005.

[3]Allen-Bradley PowerFlex70变频器应用手册[Z].

电梯Kc=10-15%

油田磕头机Kc=10-20%

开卷和卷取Kc=50-60%

离心机Kc=5-20%

下放高度超过100 米的吊车Kc=20-40%

偶然制动的负载Kc=5%

其他Kc=10%

经查空预器转速为1r/min，经观察空预器转子与密封之间的摩擦是断续的，从DCS调出该电机电流，查看60S内电流的峰值，累加电流峰值持续的时间，经反复观察电机电流升到70A左右时，母线电压大约650V左右，认为母线电压超过650V时其峰值电压超过700V的可能性较大，即达到制动单元动作电压准位，制动单元起作用。累计70A以上峰值持续时间为5S，制动频率=5/60约为8%，估算为10%。

3.3 制动单元的计算

3.3.1 阻值计算

在制动或负载卡涩过程中，电动机将处于再生制动状态，产生感应电压使电路中制动开始瞬间的电压接近额定电压的2倍。在实际制动中，当放电电流接近电动机额定电流一半时，就可以得到与电动机额定转矩相同的制动转矩了，参考设备厂家提供计算制动单元电阻值的经验公式粗略计算为：

RB=

式中UD为允许最大制动电压，IMN为电动机额定电流。为了保证变频器不受损害，必须限定当流经制动单元的电流为额定电流时电阻数值为制动电阻的最小数值。选择制动电阻时，不能小于该阻值。

RBmin=

综上所述，实际制动电阻数值的选择范围是

3.3.2 功率的选择

当制动电阻在直流电压为制动电压状态中工作时，其消耗的功率为：

P0=

耗用功率的含义是：如果电阻的功率按此数值选择，该电阻可以长时间地接入在电路中工作。现场中制动电阻的功率主要取决于制动频率Kc。因为系统的进行制动时间比较短，在短时间内，制动电阻的温升不足以达到稳定温升。所以，决定制动电阻容量的原则应在制动电阻的温升不超过其允许数值即额定温升的前提下，尽可能减少容量。粗略计算为

PB=λP·Kc

其中，λ为制动电阻的降额系数；PB为制动电阻的功率。

综上所述，根据空预器变频器实际设备参数，即电动机30KW额定电流57A，变频器额定功率37KW，输入电压400V可以计算出得制动电阻的取值范围是

13.2Ω

再根据成型配套产品实际选择阻值为25Ω的波纹电阻箱（BRU 8KW/25R），每台变频器加装一台波纹电阻箱且通过16mm2软铜电缆接至变频器正负制动端子上。通电调试时再根据产品手册修改变频器程序控制参数：D163项设置为“1”即选用外部制动电阻，D161，D162项设置为“2”即母线调节模式设为动态制动。

4 制动单元的应用效果

经过上述制动单元的计算选型及控制程序调整，波纹电阻接入变频器直流母线参与再生制动经过一周时间的试运行，在负荷平稳及波动两种状态下变频器的母线电压和运行电流都较稳定，并且没有超温故障发生。在空预器转子有轻微周期性摩擦工况下，母线电压最高瞬时波动到685V左右变频器仍保持持续运行。判断制动单元选型是否正确的最终依据，是确保任何情况下，流过制动单元的电流都不超过制动单元的最大电流，避免制动单元因过流而损坏。同时任何情况下制动单元自身的温度都不会超过70℃，避免制动单元因过热而损坏。现场测量制动电阻的温度在环境温度26℃下最高不大于39℃，符合相关要求。如果制动单元在调试或运行中发现以下故障现象，可参见变频器制动单元故障原因分析表，见表3查找相处理方法。

变频器制动单元故障原因分析表见表3。

表3

5 结束语

变频器制动单元的选择与安装关系到变频器运行的可靠性，其中制动电阻阻值和功率的计算都是从工程角度来考虑，所以在实际应用时要结合现场具体设备运行工况来调试优化，以便形成一个兼顾安全性和经济性的制动单元应用方案。通过以上应用实践说明只要合理选择制动单元接入变频器并设置恰当的控制参数就可以消耗运行中的再生过电压，提高变频器应对不同负载波动下的安全稳定性，值得在类似设备应用中推广使用。

参考文献

[1]戴广平.电动机变频器与电力拖动[M].北京：中国石化出版社，1999.

[2]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福州：福建科学技术出版社，2005.

[3]Allen-Bradley PowerFlex70变频器应用手册[Z].

电梯Kc=10-15%

油田磕头机Kc=10-20%

开卷和卷取Kc=50-60%

离心机Kc=5-20%

下放高度超过100 米的吊车Kc=20-40%

偶然制动的负载Kc=5%

其他Kc=10%

经查空预器转速为1r/min，经观察空预器转子与密封之间的摩擦是断续的，从DCS调出该电机电流，查看60S内电流的峰值，累加电流峰值持续的时间，经反复观察电机电流升到70A左右时，母线电压大约650V左右，认为母线电压超过650V时其峰值电压超过700V的可能性较大，即达到制动单元动作电压准位，制动单元起作用。累计70A以上峰值持续时间为5S，制动频率=5/60约为8%，估算为10%。

3.3 制动单元的计算

3.3.1 阻值计算

在制动或负载卡涩过程中，电动机将处于再生制动状态，产生感应电压使电路中制动开始瞬间的电压接近额定电压的2倍。在实际制动中，当放电电流接近电动机额定电流一半时，就可以得到与电动机额定转矩相同的制动转矩了，参考设备厂家提供计算制动单元电阻值的经验公式粗略计算为：

RB=

式中UD为允许最大制动电压，IMN为电动机额定电流。为了保证变频器不受损害，必须限定当流经制动单元的电流为额定电流时电阻数值为制动电阻的最小数值。选择制动电阻时，不能小于该阻值。

RBmin=

综上所述，实际制动电阻数值的选择范围是

3.3.2 功率的选择

当制动电阻在直流电压为制动电压状态中工作时，其消耗的功率为：

P0=

耗用功率的含义是：如果电阻的功率按此数值选择，该电阻可以长时间地接入在电路中工作。现场中制动电阻的功率主要取决于制动频率Kc。因为系统的进行制动时间比较短，在短时间内，制动电阻的温升不足以达到稳定温升。所以，决定制动电阻容量的原则应在制动电阻的温升不超过其允许数值即额定温升的前提下，尽可能减少容量。粗略计算为

PB=λP·Kc

其中，λ为制动电阻的降额系数；PB为制动电阻的功率。

综上所述，根据空预器变频器实际设备参数，即电动机30KW额定电流57A，变频器额定功率37KW，输入电压400V可以计算出得制动电阻的取值范围是

13.2Ω

再根据成型配套产品实际选择阻值为25Ω的波纹电阻箱（BRU 8KW/25R），每台变频器加装一台波纹电阻箱且通过16mm2软铜电缆接至变频器正负制动端子上。通电调试时再根据产品手册修改变频器程序控制参数：D163项设置为“1”即选用外部制动电阻，D161，D162项设置为“2”即母线调节模式设为动态制动。

4 制动单元的应用效果

经过上述制动单元的计算选型及控制程序调整，波纹电阻接入变频器直流母线参与再生制动经过一周时间的试运行，在负荷平稳及波动两种状态下变频器的母线电压和运行电流都较稳定，并且没有超温故障发生。在空预器转子有轻微周期性摩擦工况下，母线电压最高瞬时波动到685V左右变频器仍保持持续运行。判断制动单元选型是否正确的最终依据，是确保任何情况下，流过制动单元的电流都不超过制动单元的最大电流，避免制动单元因过流而损坏。同时任何情况下制动单元自身的温度都不会超过70℃，避免制动单元因过热而损坏。现场测量制动电阻的温度在环境温度26℃下最高不大于39℃，符合相关要求。如果制动单元在调试或运行中发现以下故障现象，可参见变频器制动单元故障原因分析表，见表3查找相处理方法。

变频器制动单元故障原因分析表见表3。

表3

5 结束语

变频器制动单元的选择与安装关系到变频器运行的可靠性，其中制动电阻阻值和功率的计算都是从工程角度来考虑，所以在实际应用时要结合现场具体设备运行工况来调试优化，以便形成一个兼顾安全性和经济性的制动单元应用方案。通过以上应用实践说明只要合理选择制动单元接入变频器并设置恰当的控制参数就可以消耗运行中的再生过电压，提高变频器应对不同负载波动下的安全稳定性，值得在类似设备应用中推广使用。

参考文献

[1]戴广平.电动机变频器与电力拖动[M].北京：中国石化出版社，1999.

[2]姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福州：福建科学技术出版社，2005.

[3]Allen-Bradley PowerFlex70变频器应用手册[Z].