浅析变频器能耗制动单元及制动电阻的优化选择
导语：本文在简介变频器能耗制动特点、不足及构成的基础上，重点论述了变频器能耗制动单元及制动电阻的优化选择方法。
摘要：本文在简介变频器能耗制动特点、不足及构成的基础上，重点论述了变频器能耗制动单元及制动电阻的优化选择方法。
1.变频器能耗制动
能耗制动采用的方法是在变频器直流侧设置制动单元组件，将再生电能消耗在制动电阻上来实现制动，如图1所示。这是一种处理再生能量的最直接简单的方法，它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，此电阻被称为电阻制动。
图 1 能耗制动和制动单元、制动电阻的连接方式
能耗制动的特点是电路简单，价格较低，不足是在制动过程中，随着电动机转速的下降，拖动系统动能也在下降，于是电动机的再生能力和制动转矩也在减小，所以在惯性较大的拖动系统中，常会出现在低速时停不住，而产生“爬行”现象，从而影响停车时间或停位的准确性。因此能耗制动仅适用于一般负载的停车。能耗制动包括制动单元和制动电阻二部分。
（1）制动单元
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。制动单元可分内置式和外置式二种，内置式适用于小功率的通用变频器，外置式则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况。从原理上讲，二者并无区别，制动单元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。
（2）制动电阻
制动电阻是用于将电动机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。通常在工程上选用较多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，延长使用寿命；铝合金电阻器耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻器，广泛应用于要求高的恶劣环境使用，易紧密安装、易附加散热器，外型美观。
能耗制动的过程如下：当电动机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电动机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；制动单元采样母线电压，当直流电压到达制动单元设置的导通值时，制动单元的功率开关管导通，电流流过制动电阻；制动电阻将电能转换为热能，电动机的转速降低，直流母线电压也降低；当母线电压降至制动单元设定的关断值时，制动单元的开关功率管截止，制动电阻无电流流过。
制动单元与变频器之间，以及制动单元与制动电阻之间的配线距离要尽可能短（线长在2m以下），导线截面要满足制动电阻泄放电流的要求。制动单元在工作时，制动电阻将大量发热，应使制动电阻有良好的散热条件，连接制动电阻的导线要使用耐热导线，导线勿触及制动电阻器。制动电阻应使用绝缘挡片固定牢固，安装位置要确保良好散热，制动电阻器柜内安装时应将制动电阻安装在变频柜的顶部。
2.制动单元的选择
变频调速系统的制动转矩可按下式计算：
式中：MZ制动转距；GD电动机转动惯量；GDˊ电动机负载折算到电动机侧的转动惯量；VQ制动前速度；VH制动后速度；MFZ负载阻转距；Tj减速时间。
一般情况下，在进行电动机制动时，电动机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%～22%左右，为此计算出所需的制动转距小于电动机额定转矩的18%～22%就无需接制动装置。
在进行制动单元的选择时，制动单元的工作最大电流是选择的唯一依据，其计算公式如下：
式中：IPM制动电流瞬时值；UD制动单元直流母线电压。
3.制动电阻的优化选择
变频调速系统的制动电阻的阻值可按下式计算：
式中：RZ制动电阻值；UZ制动单元动作电压值；Me电动机额定转距。
在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电容的容量。
制动电阻的阻值太大，制动不迅速，太小了制动用开关元件很容易损坏。一般当负载惯量不太大时，认为电动机制动时最大有70%能量消耗于制动电阻，30%的能量消耗于电动机本身及负载的各种损耗上，此时制动电阻为：
式中：P为电动机功率(kW)；UC为制动时母线上的电压(V)；R为制动电阻（Ω）。
当三相电压为380V时，UC≈700V，单相电压为220V时，UC≈390V，三相380V时制动电阻阻值为：
单相220V时制动电阻阻值为：
低频度制动的制动电阻的耗散功率一般为电动机功率的(1/4～1/5)，在频繁制动时，耗散功率要加大。有的小容量的变频器内部装有制动电阻，但在高频度或重力负载制动时，内装制动电阻的散热量不足，容易损坏，此时要改用大功率的外接制动电阻。各种制动电阻都应选用低电感结构的电阻器；连接线要短，并使用双绞线或平行线，采取低电感措施是为了防止和减少电感能量加到制动开关管上，造成制动开关管损坏。如果回路的电感大、电阻小，将会造成制动开关管损坏。
制动电阻与使用电动机的飞轮转矩有密切关系，而电动机的飞轮转矩在运行时是变化的，因此准确计算制动电阻比较困难，通常情况是采用经验公式取一个近似的值。
RZ>=(2×UD)/Ie
式中：Ie变频器额定电流；UD变频器直流母线电压
由于制动电阻为短时工作制，因此根据电阻的特性和技术指标，变频调速系统制动电阻的标称功率一般可用下式求得：
PB=K×Pav×η%
式中：PB为制动电阻标称功率；K为制动电阻降额系数；Pav为制动期间平均消耗功率；η为制动使用率。
各变频器生产厂家为了减少制动电阻的阻值档次，常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值的制动电阻。因此，在制动过程中所得到的制动转矩的差异是较大的。例如，艾默生TD3000系列变频器对于配用电动机容量为22kW、30kW和37kW的变频器，所提供的制动电阻规格，都是3kW、20Ω。制动单元在直流电压为700V时导通，则制动电流为：
IB=700/20=35A
制动电阻的功率为：
PB0=（700）2/20=24.5kW
4.结语
用于变频调速系统的制动单元及制动电阻，是具有再生能量及要求准确停车的变频调速系统安全可靠运行的必须配置，所以正确选用变频调速系统时应优化选择制动单元及制动电阻，不但可以减少变频调速系统发生故障的机会，也可使所设计的变频调速系统具有高的动态性能指标。
