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变频器能耗制动单元及制动电阻的优化选择
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ipc888 个人主页 给TA发消息 加TA为好友 发表于:2019-10-12 14:02:54 楼主

  随着工业自动化生产的发展,变频器使用频率已经越来越高,为了达到生产效益最大化,往往会增加变频器配套设备,如能耗制动单元和制动电阻来提高生产效益,下面就从变频器能耗制动特点、不足及构成的基础上,浅析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?#35789;?#29616;制动,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。


  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?#20302;?#21160;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?#36234;?#22823;的拖动?#20302;?#20013;,常会出现在低速时停不住,而产生“爬?#23567;?#29616;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?#20445;?#23427;包括功?#20351;堋?#30005;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?#39057;?#38459;和铝合金电阻两种:波?#39057;?#38459;采用表面立式波纹有利于散热减?#22270;?#29983;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?#26723;停?#30452;流母线电压也?#26723;?当母线电压降至制动单元设定的关?#29616;?#26102;,制动单元的开关功?#20351;?#25130;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?#26723;?#29255;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


  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。


  3.制动电阻的优化选择


  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?#22791;?#36733;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。


  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?#21152;?#36873;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?#26723;?#36895;?#20302;?#21046;动电阻的标称功率一般可用?#29575;?#27714;得:

  PB=K×Pav?#21147;?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?#26723;?#27425;,常对若干种不同容量的电动机提供相同阻?#26723;?#21046;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、20?#28014;?#21046;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


  用于变?#26723;?#36895;?#20302;?#30340;制动单元及制动电阻,是具有再生能量及要求准确停?#26723;?#21464;?#26723;?#36895;?#20302;?#23433;全可靠运行的必须配置,所以正确选用变?#26723;?#36895;?#20302;?#26102;应优化选择制动单元及制动电阻,不但可以减少变?#26723;?#36895;?#20302;?#21457;生故障的机会,?#37096;?#20351;所设计的变?#26723;?#36895;?#20302;?#20855;有高的动态性能指标。

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