摘要：本文在簡介變頻器能耗制動特點(diǎn)、不足及構(gòu)成的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論述了變頻器能耗制動單元及制動電阻的優(yōu)化選擇方法。

1.變頻器能耗制動

能耗制動采用的方法是在變頻器直流側(cè)設(shè)置制動單元組件，將再生電能消耗在制動電阻上來實(shí)現(xiàn)制動，如圖1所示。這是一種處理再生能量的最直接簡單的方法，它將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上，轉(zhuǎn)化為熱能，此電阻被稱為電阻制動。

圖 1 能耗制動和制動單元、制動電阻的連接方式

能耗制動的特點(diǎn)是電路簡單，價(jià)格較低，不足是在制動過程中，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的下降，拖動系統(tǒng)動能也在下降，于是電動機(jī)的再生能力和制動轉(zhuǎn)矩也在減小，所以在慣性較大的拖動系統(tǒng)中，常會出現(xiàn)在低速時停不住，而產(chǎn)生“爬行”現(xiàn)象，從而影響停車時間或停位的準(zhǔn)確性。因此能耗制動僅適用于一般負(fù)載的停車。能耗制動包括制動單元和制動電阻二部分。

（1）制動單元

制動單元的功能是當(dāng)直流回路的電壓Ud超過規(guī)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(nèi)置式和外置式二種，內(nèi)置式適用于小功率的通用變頻器，外置式則是適用于大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工況。從原理上講，二者并無區(qū)別，制動單元都是作為接通制動電阻的“開關(guān)”，它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅(qū)動電路。

（2）制動電阻

制動電阻是用于將電動機(jī)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(shù)。通常在工程上選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻兩種：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(jī)涂層，有效保護(hù)電阻絲不被老化，延長使用壽命；鋁合金電阻器耐氣候性、耐震動性，優(yōu)于傳統(tǒng)瓷骨架電阻器，廣泛應(yīng)用于要求高的惡劣環(huán)境使用，易緊密安裝、易附加散熱器，外型美觀。

能耗制動的過程如下：當(dāng)電動機(jī)在外力作用下減速、反轉(zhuǎn)時（包括被拖動），電動機(jī)即以發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，能量反饋回直流回路，使母線電壓升高；制動單元采樣母線電壓，當(dāng)直流電壓到達(dá)制動單元設(shè)置的導(dǎo)通值時，制動單元的功率開關(guān)管導(dǎo)通，電流流過制動電阻；制動電阻將電能轉(zhuǎn)換為熱能，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，直流母線電壓也降低；當(dāng)母線電壓降至制動單元設(shè)定的關(guān)斷值時，制動單元的開關(guān)功率管截止，制動電阻無電流流過。

制動單元與變頻器之間，以及制動單元與制動電阻之間的配線距離要盡可能短（線長在2m以下），導(dǎo)線截面要滿足制動電阻泄放電流的要求。制動單元在工作時，制動電阻將大量發(fā)熱，應(yīng)使制動電阻有良好的散熱條件，連接制動電阻的導(dǎo)線要使用耐熱導(dǎo)線，導(dǎo)線勿觸及制動電阻器。制動電阻應(yīng)使用絕緣擋片固定牢固，安裝位置要確保良好散熱，制動電阻器柜內(nèi)安裝時應(yīng)將制動電阻安裝在變頻柜的頂部。

2.制動單元的選擇

變頻調(diào)速系統(tǒng)的制動轉(zhuǎn)矩可按下式計(jì)算：

式中：MZ制動轉(zhuǎn)距；GD電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；GDˊ電動機(jī)負(fù)載折算到電動機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量；VQ制動前速度；VH制動后速度；MFZ負(fù)載阻轉(zhuǎn)距；Tj減速時間。

一般情況下，在進(jìn)行電動機(jī)制動時，電動機(jī)內(nèi)部存在一定的損耗，約為額定轉(zhuǎn)矩的18%～22%左右，為此計(jì)算出所需的制動轉(zhuǎn)距小于電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的18%～22%就無需接制動裝置。

在進(jìn)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(jù)，其計(jì)算公式如下：

式中：IPM制動電流瞬時值；UD制動單元直流母線電壓。

3.制動電阻的優(yōu)化選擇

變頻調(diào)速系統(tǒng)的制動電阻的阻值可按下式計(jì)算：

式中：RZ制動電阻值；UZ制動單元動作電壓值；Me電動機(jī)額定轉(zhuǎn)距。

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(shù)RC，R即為制動電阻的阻值，C為變頻器內(nèi)部電容的容量。

制動電阻的阻值太大，制動不迅速，太小了制動用開關(guān)元件很容易損壞。一般當(dāng)負(fù)載慣量不太大時，認(rèn)為電動機(jī)制動時最大有70%能量消耗于制動電阻，30%的能量消耗于電動機(jī)本身及負(fù)載的各種損耗上，此時制動電阻為：

式中：P為電動機(jī)功率(kW)；UC為制動時母線上的電壓(V)；R為制動電阻（Ω）。

當(dāng)三相電壓為380V時，UC≈700V，單相電壓為220V時，UC≈390V，三相380V時制動電阻阻值為：

單相220V時制動電阻阻值為：

低頻度制動的制動電阻的耗散功率一般為電動機(jī)功率的(1/4～1/5)，在頻繁制動時，耗散功率要加大。有的小容量的變頻器內(nèi)部裝有制動電阻，但在高頻度或重力負(fù)載制動時，內(nèi)裝制動電阻的散熱量不足，容易損壞，此時要改用大功率的外接制動電阻。各種制動電阻都應(yīng)選用低電感結(jié)構(gòu)的電阻器；連接線要短，并使用雙絞線或平行線，采取低電感措施是為了防止和減少電感能量加到制動開關(guān)管上，造成制動開關(guān)管損壞。如果回路的電感大、電阻小，將會造成制動開關(guān)管損壞。

制動電阻與使用電動機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)矩有密切關(guān)系，而電動機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)矩在運(yùn)行時是變化的，因此準(zhǔn)確計(jì)算制動電阻比較困難，通常情況是采用經(jīng)驗(yàn)公式取一個近似的值。

RZ>=(2×UD)/Ie

式中：Ie變頻器額定電流；UD變頻器直流母線電壓

由于制動電阻為短時工作制，因此根據(jù)電阻的特性和技術(shù)指標(biāo)，變頻調(diào)速系統(tǒng)制動電阻的標(biāo)稱功率一般可用下式求得：

PB=K×Pav×η%

式中：PB為制動電阻標(biāo)稱功率；K為制動電阻降額系數(shù)；Pav為制動期間平均消耗功率；η為制動使用率。

各變頻器生產(chǎn)廠家為了減少制動電阻的阻值檔次，常對若干種不同容量的電動機(jī)提供相同阻值的制動電阻。因此，在制動過程中所得到的制動轉(zhuǎn)矩的差異是較大的。例如，艾默生TD3000系列變頻器對于配用電動機(jī)容量為22kW、30kW和37kW的變頻器，所提供的制動電阻規(guī)格，都是3kW、20Ω。制動單元在直流電壓為700V時導(dǎo)通，則制動電流為：

IB=700/20=35A

制動電阻的功率為：

PB0=（700）2/20=24.5kW

4.結(jié)語

用于變頻調(diào)速系統(tǒng)的制動單元及制動電阻，是具有再生能量及要求準(zhǔn)確停車的變頻調(diào)速系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的必須配置，所以正確選用變頻調(diào)速系統(tǒng)時應(yīng)優(yōu)化選擇制動單元及制動電阻，不但可以減少變頻調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生故障的機(jī)會，也可使所設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速系統(tǒng)具有高的動態(tài)性能指標(biāo)。