變頻器能耗制動(dòng)斬波控制原理

能耗制動(dòng)就是利用電阻將從電動(dòng)機(jī)送回的電能轉(zhuǎn)換為熱能消耗掉的制動(dòng)方式。制動(dòng)電阻連接在直流回路上，能量流動(dòng)路徑是：機(jī)械設(shè)備的機(jī)械能一電動(dòng)機(jī)發(fā)電電能一逆變器一直流回路一制動(dòng)電阻一熱能。能耗制動(dòng)電路的設(shè)計(jì)涉及制動(dòng)電阻阻值、功率以及制動(dòng)單元功率、控制方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容。制動(dòng)電阻的功率和制動(dòng)單元的功率主要涉及制動(dòng)電路自身規(guī)格。制動(dòng)電阻阻值一方面受最大制動(dòng)能力限制，另一方面涉及流過(guò)逆變器的瞬間電流大小，因此，是需要仔細(xì)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，制動(dòng)單元的控制方式則涉及是否能夠有效地控制制動(dòng)過(guò)程的。

變頻器電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，直流電壓接近交流電峰值，大約540V。制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，直流電壓的最低值應(yīng)該高于交流電峰值，例如選擇為620V左右，使整流二極管持續(xù)截止，保證不再有電網(wǎng)能量注入變頻器。而直流電壓的最高值則不能超過(guò)IGBT的耐壓水平，并且要留有一定裕量，即應(yīng)該低于過(guò)電壓保護(hù)時(shí)的電壓值，例如直流過(guò)電壓保護(hù)值為780V時(shí)，制動(dòng)時(shí)直流電壓上限可選擇為720V左右。

再生發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，回饋到直流回路的電能積累在電容器內(nèi)，導(dǎo)致電容器端電壓（也就是直流電壓）的上升，再生發(fā)電功率越大，電壓上升的速度越快，即上升斜率越大。當(dāng)直流電壓上升到制動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電壓上限時(shí)，制動(dòng)單元控制電路使制動(dòng)斬波器件導(dǎo)通，電阻被并聯(lián)到直流回路上。

電阻上消耗的能量來(lái)自直流回路，它應(yīng)該不小于最大制動(dòng)需要時(shí)的再生發(fā)電能量，因此，在制動(dòng)單元導(dǎo)通時(shí)，通過(guò)電阻的電流除一部分來(lái)自逆變器外，另一部分則來(lái)自電容器內(nèi)電能的釋放。電容器內(nèi)電能的釋放會(huì)導(dǎo)致直流電壓降低，再生發(fā)電功率越低，它與電阻消耗功率的差值越大，直流電壓下降越快，即下降斜率越大。當(dāng)直流電壓下降到制動(dòng)運(yùn)行時(shí)的電壓下限時(shí)，制動(dòng)單元控制電路使斬波器件截止，電阻從直流回路上切除。

這樣交替導(dǎo)通和截止，使直流電壓交替上升和下降，就構(gòu)成了斬波控制方式。斬波控制時(shí)，直流電壓在一個(gè)固定范圍變化，因此電容器內(nèi)存儲(chǔ)的電能也在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，平均值不變，從而保證電阻上消耗的平均功率正好等于通過(guò)逆變器送回的再生發(fā)電功率。至于再生發(fā)電功率本身的控制，與頻率及電動(dòng)機(jī)磁通有關(guān)，它是受逆變器工作狀態(tài)控制的。換句話說(shuō)，電磁制動(dòng)時(shí)由變頻器控制部分通過(guò)逆變器去控制制動(dòng)功率的大小，而制動(dòng)單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)將送回直流回路的電能全部消耗在制動(dòng)電阻上。制動(dòng)單元的工作只需要根據(jù)直流電壓來(lái)決定，這就是為什么制動(dòng)單元可以獨(dú)立于變頻器單獨(dú)安裝的原因。

再生發(fā)電功率大時(shí)，直流電壓上升快而下降慢，制動(dòng)單元導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)而截止時(shí)間短；再生發(fā)電功率小時(shí)，直流電壓上升慢而下降快，制動(dòng)單元導(dǎo)通時(shí)間短而截止時(shí)間長(zhǎng)，從而形成類似脈寬調(diào)制的斬波調(diào)節(jié)控制。能耗制動(dòng)斬波控制原理如圖5-33所示。

圖5-33 能耗制動(dòng)斬波控制原理

（a）中等再生發(fā)電功率；（b）再生發(fā)電功率較高；（c）再生發(fā)電功率較低

制動(dòng)電阻的阻值大小將決定制動(dòng)電流的大小，制動(dòng)電阻的功率將影響制動(dòng)的速度。制動(dòng)電阻的功率均是按短時(shí)工作制進(jìn)行標(biāo)定的，選擇時(shí)應(yīng)加以注意。當(dāng)電動(dòng)機(jī)以四象限運(yùn)行時(shí)，要考慮各種工況下制動(dòng)能量的需求校核最嚴(yán)重的情況，并據(jù)此確定制動(dòng)電阻。

制動(dòng)電阻的選擇方式是：首先計(jì)算制動(dòng)力矩，再計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值，然后計(jì)算制動(dòng)電阻的平均消耗功率，最后計(jì)算制動(dòng)電阻的額定功率。

（1）計(jì)算制動(dòng)力矩。制動(dòng)力矩可由下式計(jì)算

（5-23）

式中：TB為制動(dòng)力矩，N·m; JM為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;JL為折算至電動(dòng)機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2;n1為減速開(kāi)始速度，r/min;n2為減速完時(shí)速度，r/min; ts為減速時(shí)間，s； TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N·m。

（2）計(jì)算制動(dòng)電阻的阻值。在進(jìn)行再生制動(dòng)的情況下，即使不加放電的制動(dòng)電阻，電動(dòng)機(jī)內(nèi)部也將有大約20%銅損被轉(zhuǎn)換為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，考慮到這個(gè)因素，可以先按下式初步計(jì)算制動(dòng)電阻的預(yù)選值

（ 5-24）

式中：ROB為制動(dòng)電阻的阻值，Q；UC為直流回路電壓，V，對(duì)于200V級(jí)變頻器Uc =380V，而對(duì)于400V級(jí)變頻器Uc =760V; TB為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m; TM為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，N·m; n1為減速開(kāi)始速度，r/min。

式（5-24）中，如果（TB -0.2 TM）《0，則沒(méi)有必要加制動(dòng)電阻。

在制動(dòng)電路中，放電電路由制動(dòng)電阻和功率管組成。功率管允許通過(guò)的電流IC就是放電電路電流的最大允許值。所以，制動(dòng)電阻的最小值為

（5-25）

因此，制動(dòng)電阻RB的阻值應(yīng)由如下條件來(lái)決定

（5-26）

有時(shí)變頻器生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品目錄中會(huì)給出制動(dòng)電阻最小值的參考值，可供用戶在選擇制動(dòng)電阻時(shí)參考。

（3）計(jì)算制動(dòng)電阻的平均消耗功率。如前所述，占電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩20%的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由電動(dòng)機(jī)內(nèi)部損失產(chǎn)生，因此制動(dòng)電阻的平均消耗功率為

（ 5-27）

（4）計(jì)算制動(dòng)電阻的額定功率。制動(dòng)電阻的選擇將根據(jù)電動(dòng)機(jī)是否處于重復(fù)加減速模式而不同。圖5-34所示為交流電動(dòng)機(jī)減速模式，圖5-35所示為制動(dòng)電阻的功率增加率。