变频器能耗制动的设计

    能耗制动中涉及制动单元和制动电阻的选配计算方法，包括以下几种。    1．制动转矩TB的计算    假设电动机从现在的运行速度开始制动，在一定的减速时间里，到达一个新的稳定转速，这样的一个制动过程所需的电磁转矩TB可以由以下公式计算。
    式中，TB为制动电磁转矩(N·m)；GDM2为电动机的转动惯量(N·m2)；GDL2为电动机负载侧折算到电动机侧的转动惯量(N·m2)；TL为负载阻转矩(N·m)；N1为制动前电动机速度( r/min)；N2为制动后电动机转速(r/min)；ts为减速时间(s)。    一般情况下，在进行电动机制动时，电动机内部存在损耗，折合成制动转矩大约为电动机额定转矩的20%。因此，若所计算出的制动电磁转矩小于20%的电动机额定转矩，则表明无须外接制动装置。    在能耗制动中，要有足够的制动转矩才能产生需要的制动效果，制动转矩太小，变频器仍然会过电压跳脱。制动转矩越大，制动能力越强，制动性能越好。但是，制动转矩要求越大，设备投资也会越大。在制动转矩进行精确计算出现困难的时候，还可以进行估算来满足工程要求。    有这样一些经验值：按100%制动转矩设计，可以满足90%以上的负载；对电梯、提升机、吊车，按100%计算；对开卷和卷取设备，按120%计算；离心机负载为100%；需要急速停车的大惯性负载，可能需要120%的制动转矩；普通惯性负载80%。在极端的情况下，制动转矩可以设计为150%，此时对制动单元和制动电阻都必须仔细核算，因为此时设备可能工作在极限状态，一旦计算错误可能会损坏变频器本身。超过150%的转矩是没有必要的，因为超过这个数值，变频器本身也工作到了极限，没有增大的余地了。    2．制动电阻的阻值计算    制动电阻的选择必须基于这样一个原则：电动机再生电能必须被电阻完全吸收。    在制动单元工作过程中，直流母线的电压升降取决于常数RC，R为制动电阻的阻值，C为变频器的电解电容的容量。由充放电曲线可以知道，RC越小，母线电压的放电速度越快，在C保持一定（变频器型号确定）的情况下，R越小，母线电压的放电速度越快。由以下公式可以求出制动电阻的阻值：
    式中，Uc为制动单元动作电压值，取值可以参照第2章相关内容(通常可以取710V)；Tm为电动机额定转矩(N·m)。    这里，设定N2为0，这样该阻值就能满足电动机各种减速状况的要求。    3．制动单元的选择    在进行制动单元选择时，制动单元工作时流过开关管的最大瞬时电流要小于该器件的额定电流是选择的唯一依据，通过计算出最大电流值，就可以选择合适的制动单元，计算公式如下：
    式中，Uc为制动单元直流母线电压值，在交流380V进线电源时取800V；RB为制动电阻阻值(Ω)；Ic为制动电流瞬时值(A)。    一般变频器的硬件过压保护值为760V，考虑其动作的滞后，将其适当加大，但不会超过800V，因此在计算Ic时适当加大了Uc。    4．制动电阻的标称功率    由于制动电阻为短时工作制，即每次通电时间很短，在通电期间，电阻温升远远达不到稳定温升，但瞬时功率很高；每次通电后的间歇时间较长，在该段时间内其温度在不断下降，如此循环往复，最终电阻达到一定的稳定温升，一般有80~100℃。因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率（额定功率）将小于通电时的消耗功率，一般可以由下式求得：    PR =a×Ps×ED% (W)    式中，PR为制动电阻的标称功率或额定功率(W)；Ps为制动期间的平均消耗功率(W)；ED%为制动使用率，这里选择10%；a为制动电阻降额系数，一般选1.5～2，该值可以由电阻的降额曲线查得。    Ps可由以下公式求得：
    这里必须指出，制动使用率是根据负载的实际情况选定的，不同的工艺条件，ED%就不一样。图4.10所示为制动使用率的示意。
    图4.10    制动使用率    这里以典型的升速、保持、降速为一个过程，从前一次减速制动到现在的减速制动为一个周期Tc，减速时间即制动时间为Tb，则制动使用率就由以下公式计算：    ED%=（Tb/Tc）×100%    一般而言，ED%取值根据负载的实际制动特性，当然也可以由下面的经验值进行估算。    电梯ED%=10%~15%    油田磕头机ED%=10%~20%    开卷和卷取ED%=50%~60%（最好按系统设计指标核算）    离心机ED%=5%～20%    下放高度超过100m的吊车ED%=20%～40%    偶然制动的负载ED%=5%    其他ED%=10%    以上所讲的都是电动机处于重复减速的周期制动情况，如果属于非重复减速，则其制动电阻的额定功率选择是不同的。另外，如果强迫风冷代替自然冷却，电阻的额定功率可以进一步减小。总之一句话，制动电阻的额定功率的计算基准是：电动机再生电能必须能被电阻完全吸收并变为热能释放。    确定了阻值和功率就可以基本确定制动电阻的参数，同时在制作方式上应采用双线并绕的无感电阻，当然也可用普通的箱式电阻，但需在电阻两端并接一只续流二极管，可使用快恢复二极管，耐压1000V以上。