如何选择变频调速系统的制动器件？

1.变频调速系统的运行状态

不少生产机械在运行过程中需要快速地减速或停车，而有些设备在生产中要求保持若干台设备前后一定的转速差或者拉伸率，这时就会产生发电制动问题，使电动机运行在第二或第四象限。而对于变频器，如果输出频率降低，电动机转速将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程，由制动产生的再生能量将返回到变频器直流单元，这些功率可以用电阻发热消耗或反馈回电网。为了改善变频系统的制动能力，不能依靠增加变频器的容量来解决再生能量问题，需要选用制动电阻、制动单元或功率再生变换器等选件来改善变频器的制动能力。在变频调速系统减速期间，产生的再生能量如果不通过热消耗的方法消耗掉，而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做“再生能量回馈法”。在实际应用中实现“再生能量回馈”需要“能量回馈单元”选件。

然而在实际应用中，由于大多数通用变频器都采用电压型控制方式，其中间直流环节有大电容器钳制着直流电压，使之不能迅速反向。另外，变频器整流回路通常采用不可控整流桥，不能使电流反向，因此要实现回馈制动和四象限运行就比较困难。

图2-4所示为变频器调速系统的两种运行状态，即电动和发电状态。在变频调速系统中，电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的。在频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变。当同步转速W₁小于转子转速W时，转子电流的相位几乎改变了180°，电动机从电动状态转变为发电状态；与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩T_e，使电动机的转速迅速下降，电动机处于再生制动状态。电动机再生的电能经逆变单元的续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容器吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容器仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压U_d升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，在负载处于发电制动状态时，必须采取措施处理这部分再生能量。通用电压型变频器只能运行于一、三象限，即电动状态，因此在以下应用场合，必须考虑配套使用制动方式：

1）电动机拖动大惯量负载（如离心机、龙门刨、巷道车、行车的大小车等）并要求急剧减速或停车。

2）电动机拖动位能负载（如电梯、起重机、矿井提升机等）。

3）电动机经常处于被拖动状态（如离心机副机、造纸机导纸辊电动机、化纤机械牵伸机等）。

以上几类负载的共同特点是要求电动机不仅运行于电动状态（一、三象限），而且要运行于发电制动状态（二、四象限）。为使系统在发电制动状态能正常工作，必须采取适当的制动方式。

图2-4 频器调速系统的两种运行状态

2.共用直流母线系统方案

在同一个电力拖动系统中的一个或多个传动单元，有时电动机会运行在发电状态，并将再生能量反馈到变频器中来，这种现象叫“再生能量”。这种情况一般发生在电动机被机械设备惯性拖动的时候（也就是被一个远远高于设定值的速度拖动的时候），或是当驱动电动机发生制动以提供足够的张力的时候（如放卷系统中的传动电动机）。

通用变频器在设计上不具有再生能量反馈到三相电源的功能，因此所有变频器从电动机吸收的能量都会保存在电容器中，最终导致变频器中的直流母线电压升高。如果变频器配备制动单元和制动电阻，变频器就可以通过短时间接通电阻，使电能以热方式消耗掉。当然只要充分考虑到制动时最大的电流容量、负载周期和消耗到制动电阻上的额定功率就可以设计或选择合适的制动单元，并以连续的方式消耗电能，最终能够保持直流母线电压的平衡。这种制动单元的工作方式就是消耗能量的一种能耗制动。

如果有多台变频器通过直流母线互连，一个或多个电动机产生的再生能量就可以被其他电动机以电动的方式消耗吸收。这是一种非常有效的工作方式，即使有多个部位的电动机一直处于连续发电状态，也不用考虑采取处理再生能量的工作方式。在这种方式下，如果生产机械设备仍需要一个更快刹车或紧急停止的状态，那就需要再加上一个一定容量的制动单元和制动电阻以便在需要时工作，若与能量回馈装置组合就可以充分地将直流母线上的多余能量直接反馈到电网中来，以提高系统的节能效果。

（1）变频器共用直流母线方案

对于通用变频器而言，采用共用直流母线很重要的一点就是在共用直流母线上电时必须充分考虑到变频器的控制、传动系统故障、负载特性和输入主回路保护等。图2-5所示为一种应用比较广泛的共用直流母线方案。该方案包括三相进线（保持同一相位）、直流母线、通用变频器组、公共制动单元（或采用能量回馈装置）和一些附属元件。该方案具有以下特点：

图2-5 通用变频器共用直流母线方案

1）使用一个完整的变频器，而不是单纯使用传统意义上的整流桥加多个逆变器方案。

2）不需要有分离变频器的整流桥、充电单元、电容组和逆变器。

3）每一个变频器都可以单独从直流母线中分离出来而不影响其他系统。

4）通过联锁接触器来控制变频器的直流环节接入到共用直流母线上。

5）采用快速熔断器来保护接在公共直流母线上的变频器的电容单元。

6）所有接在公共直流母线上的变频器必须使用同一个三相交流电源。

在图2-5中，QF是每个变频器的进线保护装置，它应该采用带辅助触点的空气开关，因为直流接触器MC的接通必须同时满足QF的辅助触点闭合和变频器运行状态正常这两个条件，否则MC就断开。

LR为进线电抗器，由于实际工作现场的复杂环境往往会导致电网参数的波动并产生谐波，使用进线电抗器就能有效地避免这些因素对变频器的影响，也可用于增加电源阻抗并吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的电压尖峰，从而最终保护变频器的整流单元。

为确保变频器上电后顺利地接到公共直流母线上，或是在变频器故障后快速地与公共直流母线断开以进一步缩小变频器故障范围，使用在该系统的变频器必须具有DC24V信号或无源触点信号输出，其输出信号至少包括：

1）READY信号：该信号输出有效则表示变频器无故障，母线电压正常，可以接受起动命令。

2）FAULT信号：该信号输出表示变频器故障。

FU为快速熔断器，额定电压通常可选DC700V，如Bussman的FWP系列；Gouldshaw-mut的A70P系列，额定电流必须考虑到驱动电动机在电动或制动时的最大能量，一般情况下以额定负载的125%电流即可。

MC为2P直流接触器，如ABB的EHDB系列，额定电压为DC650V，其额定电流同样需根据驱动电动机制动时的最大电流来选取，一般情况下可以选额定负载的120%电流。

（2）共用直流母线的应用

通用变频器的共用直流母线方案目前已经在工业领域的很多机械设备上得到广泛应用，不仅整机（设备加电气）故障率低，而且能最大程度地节能，更具有环保的意义。

图2-6 双电动机驱动电路

1）双电动机驱动。双电动机驱动电路如图2-6所示，与主动设备相连的电动机处于电动工作状态为主电动机，与从动设备相连的电动机由于转鼓差速的作用始终处于发电状态的为副电动机。主、副电动机各用一台普通变频器驱动，采用公共直流母线方案，较好地解决了副电动机持续发电的再生能量问题，并达到了节能的效果。

图2-7 共用直流母线方案在化纤设备上的应用

2）多电动机驱动。多电动机驱动设备通常包括几个主要的传动电动机，例如纺织机械通常有一道、二道、三道牵伸和卷曲，它们需要同步运行。在同步时，一道牵伸M1和二道牵伸M2为保持一定牵伸比必须处于发电状态，而三道牵伸M3和卷曲M4则处于电动状态。M1和M2发电是由于三道牵伸的电动状态所引起的，该两台电动机所产生的回馈能量足以消耗到处于电动状态下的M3和M4中，而不会引起直流回路母线电压的升高，这样通过图2⁃7接线就可以解决再生能量的制动问题，从而使系统始终处于比较稳定的状态。

在图2-7中，能量传递的公式为：P₀=P₃+P₄-P₁-P₂。很显然，公共直流母线方案将大大降低能量损耗。多电动机驱动设备采用共用直流母线的控制方式，具有以下显著的特点：

1）共用直流母线可以大大减少制动单元的重复配置，结构简单合理，经济可靠。

2）共用直流母线的中间直流电压恒定，由于各变频器的直流环节并联电容器的储能容量较大。

3）各电动机工作在不同的状态下，能量回馈互补，优化了系统的动态特性，并使系统具有较高的节能效果。(www.xing528.com)

3.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。能耗制动的制动单元、制动电阻的连接方式如图2⁃8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，因此又被称为电阻制动。它包括制动单元和制动电阻两部分。

图2-8 能耗制动的制动单元、制动电阻的连接方式

（1）制动单元

制动单元的功能是当直流回路的电压U_d超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路的能量通过制动电阻后以热能的方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式两种，内置式适用于小功率的通用变频器，外置式则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，两者并无区别，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的方式消耗的载体，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：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，延长了使用寿命；铝合金电阻的耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻，广泛应用于要求高的恶劣环境，易紧密安装、易附加散热器，外形美观。

（3）制动过程

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，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过。

（4）安装要求

1）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。

2）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。

3）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，制动电阻柜内安装时应将制动电阻安装在变频柜的顶部。

（5）制动单元与制动电阻的选配

1）制动转矩可按下式计算：

式中，M_Z为制动转矩；GD为电动机转动惯量；GD′为电动机负载折算到电动机侧的转动惯量；V_Q为制动前速度；V_H为制动后的速度；M_FZ为负载阻转矩；t_j为减速时间。

在一般情况下，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%，为此计算出所需的制动转矩小于电动机额定转矩的18%～22%就无需接制动装置。

2）制动电阻的阻值可按下式计算：

式中，R_Z为制动电阻值；U_Z为制动单元动作电压值；M_e为电动机额定转矩。

在制动单元的工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R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%的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）；U_C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，U_C≈700V，单相电压为220V时，U_C≈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1/5～1/4，在频繁制动时，耗散功率要加大。部分小容量变频器的内部装有制动电阻，但在高频度或重力负载制动时，内置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；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。

R_Z≥（2×U_D）/I_e（2-26）式中，I_e为变频器额定电流；U_D为变频器直流母线电压。

3）制动单元的选择。在进行制动单元的选择时，制动单元工作的最大电流是选择的唯一依据，其计算公式如下：

式中，I_PM为制动电流瞬时值；U_M为制动单元直流母线电压。

4）计算制动电阻的标称功率。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，一般可用下式求得P_B=KP_avη%（2-28）

式中PP_B为制动电阻标称功率KK为制动电阻降额系数PP_av为制动期间的平均消耗功率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。Y系列的4极电动机II_BII_MNTT_BTT_MN参数见表2⁃2。

表2-2Y系列的4极电动机II_BII_MNTT_BTT_MN参数