變頻器的系統中制動電阻與制動單元的解析

一、描述

在變頻調速系統中，電機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現的，在頻率減小的瞬間，電機的同步轉速隨之下降，而由于機械慣性的原因，電機的轉子轉速未變。當同步轉速小于轉子轉速時，轉子電流的相位幾乎改變了180度，電機從電動狀態變為發電狀態；與此同時，電機軸上的轉矩變成了制動轉矩，使電機的轉速迅速下降，電機處于再生制動狀態。電機再生的電能經續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，對于負載處于發電制動狀態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加放電電阻單元組件，將再生電能消耗在功率電阻上來實現制動。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

　　制動單元相當于是一個電子開關，其內部的主要元件為IGBT模塊，有一個直流電壓檢測電路，輸出一個制動動作信號，來控制電子開關的通和斷。接通時將制動電阻接入變頻器的直流回路，對電機的再生電能進行快速消耗，以維持直流回路的電壓在容許值以內。制動單元的功能是當直流回路的電壓超過規定的限值時，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，二者并無區別，都是作為接通制動電阻的“開關”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅動電路。

2、制動電阻的介紹

　　制動電阻是用于將電機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。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，并選用高阻燃無機涂層，有效保護電阻絲不被老化，延長使用壽命；鋁殼電阻在耐氣候性、耐震動性上都優于傳統瓷骨架電阻器，廣泛應用于高要求惡劣工控環境使用，易緊密安裝、易附加散熱器，外型美觀。

制動電阻的功用：

（1）保護變頻器不受再生電能的危害

　　電機在快速停車過程中，由于慣性作用，會產生大量的再生電能，如果不及時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，變頻器會報故障，重者，則會損害變頻器。因此，應該使用制動電阻，保護變頻器不受電機再生電能的危害。

（2）保證電電源網絡的平穩運行

　　制動電阻將電機快速制動過程中的再生電能直接轉化為熱能，這樣再生電能就不會反饋到電源電網絡中，不會造成電網電壓波動，從而起到了保證電源網絡的平穩運行的作用。

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、當電機在外力作用下減速、反轉時，電機即以發電狀態運行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高；

　　B、當直流電壓到達制動單元開的狀態時，制動單元的功率管導通，電流流過制動電阻；

　　C、制動電阻消耗電能為熱能，電機的轉速降低，母線電壓也降低；

　　D、母線電壓降至制動單元要關斷的值，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ON/OFF過程，平衡母線電壓，使系統正常運行。

四、制動單元和制動電阻的設計計算

1、設計計算

（1）首先估算出制動轉矩

　　制動轉矩 = [（電機轉動慣量+電機負載測折算到電機測的轉動慣量）*（制動前速度-制動后速度）]/375*減速時間-負載轉矩。一般情況下，在進行電機制動時，電機內部存在一定的損耗，約為額定轉矩的18%-22%左右，因此計算出的結果在小于此范圍的話就無需接制動裝置；

（2）接著計算制動電阻的阻值

　　電阻的阻值 = 制動元件動作電壓值的平方/（0.1047*(制動轉矩-20%電機額定轉矩）*制動前電機轉速）。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RC，R即為制動電阻的阻值，C為變頻器內部電解電容的容量。這里制動單元動作電壓值一般為690V。

（3）然后進行制動單元的選擇

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

（4）最后計算制動電阻的標稱功率

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

2、有關說明書的制動電阻值

　　變頻器說明書中的制動電阻數據只是一個參考數據。因為在提供制動電阻數據時，要受到兩個因素的制約：

　　（1）負載的慣性大小和工況是千差萬別的，實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提供相同阻值和容量的制動電阻。

　　所以，在選擇制動電阻時，不應該盲目地按說明書選。而應注意根據生產機械的具體情況進行調整。調整的基本規律是：負載的慣性大，則制動電阻值應適當減小；制動時間較長或制動比較頻繁者，應適當加大制動電阻的容量。

五、結束語

　　變頻器已廣泛應用在三相交流電動機調速控制中，制動單元和制動電阻作為其附屬設備起相當重要的作用。制動單元和制動電阻在變頻能耗制動的場合應用廣泛，并且還能滿足大位能負載下放時的平穩、快速制動的要求。國產制動單元和制動電阻的制作工藝完備，質量良好，造價低廉，值得推廣應用。

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