焦 悅，商亞丹，董 波，佟 冰，劉 向，楊洪音

(中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)一般由變頻器、異步電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載組成，變頻調(diào)速技術(shù)在電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用有節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行平穩(wěn)、低速性能更穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn);但設(shè)計(jì)者在考慮能耗制動(dòng)時(shí)，對(duì)于制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選取，通常按照制動(dòng)電阻制造廠商推薦的制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻的容量進(jìn)行選擇。然而，對(duì)于重載位能負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間下放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，電阻的阻值直接決定著制動(dòng)電流，從而直接影響制動(dòng)時(shí)間的響應(yīng)。這種粗略的方法將會(huì)造成制動(dòng)時(shí)間不夠精確，再生制動(dòng)能量不能迅速釋放等問題。如果在設(shè)計(jì)中，僅僅靠增大制動(dòng)電阻阻值或功率來保證再生制動(dòng)能量釋放，則勢(shì)必帶來成本的增加和能量的浪費(fèi)。本文重點(diǎn)分析并計(jì)算了變頻調(diào)速中制動(dòng)方式及技術(shù)參數(shù)。

1 制動(dòng)方法的類型和特點(diǎn)

傳動(dòng)系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的機(jī)械能經(jīng)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換成電能，逆變器的六個(gè)回饋二極管將這種電能回饋到直流側(cè)，此時(shí)的逆變器處于整流狀態(tài)，一旦電動(dòng)機(jī)恢復(fù)到電動(dòng)狀態(tài)，這部分能量又被負(fù)載所重新利用。而在標(biāo)準(zhǔn)型的變頻器中如果制動(dòng)過快或機(jī)械負(fù)載為勢(shì)能負(fù)載時(shí)，不采取另外的措施，這部分能量將導(dǎo)致中間回路儲(chǔ)電電容器的電壓上升過大，直流側(cè)電壓過高，進(jìn)而導(dǎo)致變頻器故障，無法正常運(yùn)行。

對(duì)于再生能量的處理在變頻器中有三種方式。

(1)能耗制動(dòng)。變頻器通過制動(dòng)單元將再生制動(dòng)能量消耗到直流回路中人為設(shè)置的與電容器并聯(lián)的“制動(dòng)電阻”上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度從高速到低速直至零速調(diào)速過程中電氣的頻率變化很快，但電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)的機(jī)械負(fù)載具有較大的機(jī)械慣性，不可能很快停止，于是就產(chǎn)生反電勢(shì)，使電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生與原電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)矩相反的反向電壓轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)具有較強(qiáng)的制動(dòng)力矩，從而迫使轉(zhuǎn)子較快停下來。但是，通常變頻器的控制原理是交-直-交變化，交直整流電路是不可逆的，因此無法回饋到電網(wǎng)上，結(jié)果造成主電路電容器兩端電壓升高，當(dāng)超過設(shè)定上限值電壓時(shí)，制動(dòng)回路導(dǎo)通。電流通過制動(dòng)電阻流過，將動(dòng)能變熱能消耗，電壓隨之下降，待到設(shè)定下限值時(shí)即斷。這種制動(dòng)方法稱為能耗制動(dòng)，制動(dòng)時(shí)間可人為設(shè)定。

(2)直流制動(dòng)。在異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組中加入直流電流時(shí)，變頻器的輸出頻率為零，這時(shí)定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)將是空間位置不變的恒定磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子因慣性而繼續(xù)以其原來的速度旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子切割這個(gè)靜止磁場(chǎng)而產(chǎn)生制動(dòng)力矩，迫使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子較快的停止，這樣系統(tǒng)存儲(chǔ)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能消耗于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路，進(jìn)而達(dá)到電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)的效果。

(3)回饋(再生)制動(dòng)。這種方式是將再生制動(dòng)能量回饋到電網(wǎng)。適用于電動(dòng)機(jī)功率較大，設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，減速降幅較大，制動(dòng)時(shí)間較短，反復(fù)短時(shí)連續(xù)工作，需要強(qiáng)力制動(dòng)的場(chǎng)合。在這種方式中，為減少制動(dòng)過程的能量損耗，通過在直流側(cè)設(shè)置公共母線的逆變橋直接供給處于電動(dòng)狀態(tài)的電機(jī)，使動(dòng)能變?yōu)殡娔芑仞伒诫娋W(wǎng)，以達(dá)到既制動(dòng)又節(jié)能的功效，從而大大提高了能量的再生利用率。

前兩種工作狀態(tài)，稱為動(dòng)力制動(dòng)狀態(tài);后一種工作狀態(tài)，則稱為再生制動(dòng)狀態(tài)。再生制動(dòng)能量回饋方式需要使用回饋制動(dòng)裝置，這種方式系統(tǒng)的價(jià)格較貴。本文主要分析第一種能耗制動(dòng)的方式。

2 制動(dòng)電阻功用和類型

2.1 制動(dòng)電阻的功用

(1)保護(hù)變頻器不受再生制動(dòng)能量的危害。電機(jī)在快速停車過程中，由于慣性作用，會(huì)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，就會(huì)直接作用于變頻器的直流電路。輕者，變頻器報(bào)故障;重者，會(huì)損壞變頻器。制動(dòng)電阻的出現(xiàn)，很好的解決了這個(gè)問題，保護(hù)變頻器不再受電機(jī)再生電能的危害。

(2)保證電源網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行。制動(dòng)電阻將電機(jī)快速制動(dòng)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(huì)反饋到電源網(wǎng)絡(luò)中使其產(chǎn)生干擾，也不會(huì)造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)，從而保證了電源網(wǎng)絡(luò)和電網(wǎng)上其它設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

2.2 制動(dòng)電阻類型和參數(shù)

制動(dòng)電阻的類型很多，通常工程中選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻。(1)波紋電阻。采用陶瓷管作為骨架，用波紋狀合金電阻絲均勻繞制，功能為將電機(jī)的再生電能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)也具有散熱器的功效。(2)鋁合金電阻。具有極強(qiáng)的耐震動(dòng)性、耐氣候性和穩(wěn)定性，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。

制動(dòng)電阻是用于將電機(jī)的再生能量以熱能方式消耗的載體，所以它包括電阻阻值和功率容量?jī)蓚€(gè)重要的參數(shù)。

3 制動(dòng)電阻的分析計(jì)算

通常設(shè)計(jì)者在考慮能耗制動(dòng)時(shí)，對(duì)于制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選取，只是按照制動(dòng)電阻制造廠商推薦的制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻的容量進(jìn)行選擇。然而，對(duì)于重載位能負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間下放的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，電阻的阻值直接決定著制動(dòng)電流，從而直接影響制動(dòng)時(shí)間的響應(yīng)。這種粗略的方法將會(huì)造成制動(dòng)時(shí)間不夠精確，再生制動(dòng)能量不能迅速釋放等問題。如果在設(shè)計(jì)中，僅僅靠增大制動(dòng)電阻阻值或功率，來保證再生制動(dòng)能量釋放，則勢(shì)必帶來成本的增加和能量的浪費(fèi)。

制動(dòng)電阻的選取和計(jì)算方法有很多種，從工程角度來講，要精確計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值和功率需要考慮的因素很多。

3.1 利用制圖方法計(jì)算制動(dòng)電阻

3.1.1 計(jì)算內(nèi)部動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻

能耗制動(dòng)中如果變頻器內(nèi)部的制動(dòng)電阻能夠滿足使用要求時(shí)，那么使用內(nèi)部制動(dòng)電阻是首選，因?yàn)樗裙?jié)約成本又節(jié)省安裝空間。典型的電機(jī)轉(zhuǎn)速、力矩和功率的分布圖如圖1所示。圖中一個(gè)周期為t4。

電機(jī)慣量的關(guān)系如圖2所示，計(jì)算公式見式(1)。

式中，JT為轉(zhuǎn)換到電機(jī)軸上的總慣量(kg·m2);Jd為電機(jī)慣量(kg·m2);Jf為負(fù)載慣量(kg·m2);i為傳動(dòng)比。

計(jì)算峰值制動(dòng)功率P^b為

計(jì)算平均動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻耗散能量Pav為

計(jì)算動(dòng)態(tài)制動(dòng)平均負(fù)載率AL為:

式中，AL為動(dòng)態(tài)制動(dòng)平均負(fù)載率(這個(gè)值不能超過100%);Pdb為動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻固定耗散功率(W)。

計(jì)算動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻峰值負(fù)載率PL為

典型的功率曲線圖如圖3所示。將計(jì)算出的AL值與(t3－t2)的減速時(shí)間相交的點(diǎn)繪制出來，再將計(jì)算出的PL值與垂直坐標(biāo)相交的點(diǎn)繪制出來，將這兩點(diǎn)用直線連接起來。當(dāng)這條直線完全位于曲線的左側(cè)時(shí)，說明這個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)部的電阻器足夠使用。當(dāng)這條直線有部分位于曲線的右側(cè)時(shí)，將通過增加減速時(shí)間使這條直線完全位于曲線的左側(cè)，但這個(gè)時(shí)間設(shè)定需在驅(qū)動(dòng)器可設(shè)置范圍內(nèi)，并能正常應(yīng)用于設(shè)備的工藝狀態(tài)。當(dāng)這些條件都不能滿足要求時(shí)，就要選擇一個(gè)外部制動(dòng)電阻了。

圖3 典型電阻功率曲線圖Fig.3 Curves of typical resistance

3.1.2 計(jì)算外部動(dòng)態(tài)制動(dòng)電阻

首先計(jì)算最大制動(dòng)電阻值Rdb1為

式中，Rdb1為最大制動(dòng)電阻值(Ω)，Vdc為用于計(jì)算最大功率的直流母線電壓(每種類型的變頻器說明書上都會(huì)給出)。

所選擇使用的外部制動(dòng)電阻值一定要比這個(gè)計(jì)算值小，否則變頻器將報(bào)直流側(cè)過壓故障。同時(shí)這個(gè)值還應(yīng)大于供貨說明書中最小制動(dòng)電阻的值。外部制動(dòng)電阻的功率值按計(jì)算出的 (W)選取。

3.2 根據(jù)制動(dòng)再生能量計(jì)算制動(dòng)電阻

電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算公式

式中，P為功率;M為電機(jī)力矩(也稱扭矩);N為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)能量反饋到變頻器直流側(cè)時(shí)，

式中，ηmot為電機(jī)效率;ηINV為變頻器效率。

將式(6)代入式(7)中可得

這里VDC根據(jù)變頻器不同，選型參數(shù)里可查得，一般200 V級(jí)變頻器VDC=360 V，400 V級(jí)變頻器VDC=720 V。

3.3 根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算制動(dòng)電阻

(1)計(jì)算制動(dòng)力矩。

式中，TB為制動(dòng)力矩(N·m);Jd為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);Jf為折算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg·m2);n1為減速開始速度(r/min);n2為減速完成速度(r/min);ts為減速時(shí)間(s);Tf為負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)。

(2)計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值。當(dāng)發(fā)生再生制動(dòng)的時(shí)候，電動(dòng)機(jī)抽動(dòng)力矩相當(dāng)于20%額定轉(zhuǎn)矩。當(dāng)抽動(dòng)力矩小于20%額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，則沒有必要安裝外部制動(dòng)電阻。即

式中，TM為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩(N·m)。

首先初選制動(dòng)電阻的最大值

式中，VDC為直流回路閾值電壓(V)，不同廠家的變頻器電壓閾值不同。

因此，所選取的電阻值范圍應(yīng)為Rmin＜R＜Rmax。

(3)計(jì)算制動(dòng)電阻的額定功率。

4 制動(dòng)單元的選配

制動(dòng)單元的作用是當(dāng)直流回路的電壓超過規(guī)定的限值時(shí)，制動(dòng)單元接通耗能電路，使直流回路通過制動(dòng)電阻后以熱能方式釋放能量。制動(dòng)單元可分內(nèi)置式和外置式兩種，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?qū)χ苿?dòng)有特殊要求的工況。從原理上講，二者并無區(qū)別，都是作為接通制動(dòng)電阻的“開關(guān)”，主要包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)制動(dòng)單元還有一些輔助功能，如制動(dòng)電壓可調(diào)，制動(dòng)電阻工作時(shí)有超時(shí)保護(hù)，散熱器過熱保護(hù)，故障顯示及故障輸出等。

在選擇制動(dòng)單元時(shí)為了保護(hù)電路的正常工作，制動(dòng)單元的額定電流一般按正常直流側(cè)的電壓下，流過電阻的電流的2倍來選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用制圖方法、制動(dòng)再生能量方法、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方法計(jì)算制動(dòng)電阻阻值和功率，就計(jì)算結(jié)果而言，比廠家推薦的制動(dòng)電阻參數(shù)更加精準(zhǔn)，從而達(dá)到一個(gè)經(jīng)濟(jì)節(jié)能的設(shè)計(jì)效果。

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