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制动单元选型配置介绍

 制动单元选型介绍

  在由变频器,异步电动机和机械负载所组成的变频传动系统中,当电动机减速或者所拖动的位能负载下放时,电动机将处于再生发电制动状态.传动系统中所储存的机械能经异步电动机转换成电能,通过逆变桥的六个续流二极管整流回馈到直流侧.由于此时的逆变桥处于整流状态,在通用型变频器中,网侧整流器为不可控二极管,此时若不采取另外的措施,这部分能量将无法及时释放而导致中间回路电力电容器上电压上升,如果电动机的减速并不快,电容器上电压的升高并不明显,一旦电动机恢复到电动状态,这部分能量将被重新利用。但当电动机减速过程较快时，电容器上电压升高很快，结果，或使变频器中的”制动过电压保护”动作,或损坏变频器.所以,在制动过程较快或位能负载的拽引系统中,必须考虑再生能量的泵升电路(即制动单元)的处理问题.

在通用变频器中,对能量的处理方式有三种:

(1) 耗散到”制动单元中

(2) 用并联直流回路向多台变频器供电;

(3) 使能量回馈到电网;

前两种状态称为动力制动状态;后一种工作状态则称为再生制动状态.(这种分类是根据再生能量是否回馈到交流电网而定义的,无论哪一种,异步电动机均处于发电制动状态.

另外还有一种制动方式,即异步电动机定子通直流电,实现电动机的能耗制动,常称为直流制动(DC制动);用于要求准确停车或启动前制止电动机由外界因素引起的不规则旋转,如静止的轴流风机受气流影响产生自由转动.

P1=PΩ+P△+PCu2+PCu1+PFe+P2

其中:

P1:发电状态下电机的转动惯性所产生的输入功率(再生功率)

PΩ:机械损耗功率

P△:附加损耗功率

PCu2:转子铜耗功率

PCu1:定子铜耗功率

PFe:铁心损耗功率

P2:净回馈的输出电功率

如何在能耗制动设计中选配好制动电阻的阻值、功率和制动单元的功率，是我们在变频器应用中经常会碰到的问题。在选配时，如果配置不当就会使系统工作不正常。严重的时候，会损坏变频器和制动单元。怎样选配才算合理呢？首先我们要明白，制动单元的工作任务是让变频器在制动工况时，直流母线的电压在允许的范围内波动。这里我们主要讨论的是AC380/440的低压变频器，因为这一类的变频器是应用最为广泛的。交流整流后的电压为DC540/620V，这也是交流的峰值电压。在制动时为了让整流二极管持续截止，所选的电压值一定要高于这个值。直流母线的过电压设置，是为了保护IGBT在工作时不被电压击穿而损坏。在这个电压范围的IGBT都为1.2KV，过电压设置可以为DC780V。所以在制动时的直流电压上限可选在720V左右。在电制动运行时，回馈到直流母线上的电能积累在电容器内，导致电容器电压上升，也就是直流电压的上升。制动功率越大，电压上升的速度就越快，也就是上升斜率越大。当直流电压上升到制动电压时，制动单元的斩波器开始工作，制动电阻被并联到直流母线上。电阻上消耗的能量来自直流母线，其大小应该等于最大制动时所产生的电能。在制动单元工作时，其电流一部分来自变频器的逆变部分，另外一部分来自电容器。这时候通过电阻对能量的消耗，使直流母线上的电压下降。当下降到制动单元的电压下限时，制动单元的斩波器停止工作。这样变频器的直流母线电压在允许的范围内波动，就使得电容器内的电能在一定范围内波动，其平均值基本上不变。

根据上面的分析，我们就可以得到制动电阻和制动单元的计算。

Um是制动的直流电压上限，在AC380/440V的电压范围内为720V；

Ievf是变频器的额定电流；

Rzd是制动系统的最小电阻；

Pm是系统的最大制动功率；

Ir是制动单元的工作电流。

由此计算出来的Rzd是一个最小值，其产生的制动功率为最大制动功率。只要电阻的阻值等于这个值，变频器的工作就是安全可靠的，而系统的制动功率是足够的。由此计算出来的制动单元的电流是电阻耗能时的最大电流。计算出的电阻的功率只是一个耗散功率，也是个最大功率。实际功率的计算与电阻在不同情况下的过负荷倍数有关：

其中△K就是电阻的过负荷倍数。一般厂家都会提供这样的参数。下面就是<<上海瓦蓝电子科技有限公司》提供的几种电阻在不同情况下的过负荷倍数：

单次制动和重复制动区别:

 单次制动指在一定运行周期内迅速降速,最典型例子是急停,,两个峰值之间的间距要在40分钟以上.

 重复制动指在一定运行周期内需要多次降速的情况,见上图.

ED：表示制动率在周期为120S时，制动时间所占比率。如上图可表示为ED=T1/T2.

但是，在实际工作中，电机拖动的情况是非常复杂的。往往在系统中并不是取的最大制动功率。并且在系统中存在着传动损耗、电机的功率因数、电机的效率、变频器的效率以及过载倍数等。由于考虑了以上各方面的因数，所以实际的制动功率的计算，Um的取值可以用700V来计算。或在最小电阻的基础上乘一个系数K，其取值为1~1.15。这是在拖动中最大制动功率下的电阻的计算。在制动中平均的制动转矩的的计算：

其中Rz是实际选用的电阻值；

P是所选用的变频器功率；

Udc是直流母线的电压为DC680V；

Tr是平均制动转矩；

由于在传动中机械损耗计为20%，所以在计算中要乘以0.8

现在我们就根据实际的应用情况，用国内的专业生产厂家，《上海瓦蓝电子科技有限公司》的产品为例。做出了变频器在三种基本工况下的选配情况。

第一种情况：在恒转矩负载而且是大惯性的制动运行以及在位能负载中并且运行周期大于2min状况下的选配。这种选配也就是我们说的3/4配制。

第二种情况：是典型的位能性负载，在起重和电梯等工况下。并且运行周期在2min以内的工作情况的选配。这种选配也是我们经常用到的1/2配制。这配制的制动功率会比前一个工况的小。所以，K的系数会取大一点，这时候为1.5。

第三种情况：是一般的反抗性转矩负载，因为它的负载转矩是参加制动的，所以在通常情况下是不需要配制动部分。但是在制动时间上有要求时，就会加上能耗制动的功能。因此这时候所需要的制动转矩较小，所以取的系数K是在1.7~2。这也是我们常用到的1/4配制。

虽然在实际应用中，大多数的电机工况都在这三种情况下。但是，由于电机拖动是一个较为复杂的系统，所以在使用中有也经常会碰到一些特殊的情况。这时候，工程师除可以通过上面的公式和图表进行计算外，也可以与这些厂家联系。根据实际的使用情况做出相应的配置。

 下面根据上面的叙述举实例介绍:

例:洛阳伊川电厂主厂房75/20T天车,主起升电机功率为37KW,运行速度为0.2-2米/分钟,最大提升重量100吨请配置变频器,制动单元,制动电阻

则:

 GM=100吨*1000千克/吨*9.8米/平方秒=980k牛顿

Vm=2/60米/秒

Pe=GM*Vm=980k牛顿*2/60米/秒=32.7kw

Pw=Pe*(1-η)=32.7*0.8=26.16kw

故主起升机构制动功率应不小于26.16kw,

已知Pe=32.7kw故变频器应选择37-45kw变频器

配电阻P=PW/⊿K=26.16/⊿K

起重设备要提供两倍制动转矩,故应按照26.16*2=52.32KW计算电阻值.

R=U²/P=700²/52.32kw=9.3欧姆

I=U/R=700/9.3=75.5A

4030峰值电流为50A,额定电流为15A

4045峰值电流为75A,额定电流为25

起重设备按额定电流计算:75.5/25=3台

应选择三台DBU-4045制动单元才能满足要求

9.6*3=28.8欧姆

应选择3台10kw,28欧姆的电阻箱.

另可以采取下面的估算方法:

10% ED的工况按我公司的列表选配;

20% ED的工况电阻器功率选配为10%ED时的两倍,制动单元功率按0.8进行降额计算;

40% ED的工况电阻器功率选配为变频器功率的0.6倍,制动单元的功率按0.5倍进行行降额计算;

超过40% ED的工况制动单元功率按1/3进行额计算,