變頻器制動電阻的選型和計算

前言

通用變頻器應(yīng)用在大慣量負載時，短時間內(nèi)的減速會使母線電壓升高，由于成本原因通用變頻器沒有主動前端無法將能量回饋電網(wǎng)，理論上如果電容容量夠大，可以先存儲能量將來釋放出來驅(qū)動電機，避免能量浪費，但是電容的容量有限，而電容的耐壓也是有限的，當母線電容的電壓高到一定程度，就可能會損壞電容了，有些還可能損壞IGBT，所以需要及時通過制動電阻來釋放能量，維持母線電壓不超過最大允許值。

具體到制動電阻的選型，它既關(guān)系到電阻本身的阻值和功率，又關(guān)系到Brake IGBT的結(jié)溫等性能的計算，下面就為大家做詳細解釋。

模塊介紹

拿一款MiniSKiiP系列的 35NAB12T4V1的CIB模塊來舉例。模塊內(nèi)部包含了三相不可控整流橋，制動單元和兩電平三相逆變橋，每個IGBT包括Brake IGBT電壓是1200V，電流是50A，最高結(jié)溫175°C，運行結(jié)溫150°C。

變頻驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)

制動電阻選型是一套驅(qū)動系統(tǒng)的一部分，所以它和配套的電機、變頻器本身的硬件和軟件都會有關(guān)，所以在確定制動電阻前，需要先假設(shè)一些條件如下：

目前380V電壓等級的變頻器11/15kW的輸出電流介于25~33A左右，模塊

MiniSKiiP35NAB12T4V1的50A額定電流，可以匹配15kW/380V變頻器;

380V變頻器母線電容往往是多組400V電解電容串并聯(lián)，理論母線電壓可以最高達到800VDC，假定制動IGBT開通的母線閾值為Vbr=785V(DC)，制動時滯回區(qū)間為760~785VDC;

變頻器額定工作時，假定散熱片的溫度Ts≤85°C

假定母線電容為830uF/400V，采用每組2個串聯(lián)，共4組，等效容值1660uF;

假定電機效率為?1=85%，逆變器效率為?2=98%;

假定制動時刻的制動能力是1.3倍的制動轉(zhuǎn)矩;

確定制動電阻Max/Min value

制動電阻阻值Rmin：

由于暫時不確定Brake IGBT開通的脈沖是否小于1ms，所以Ic取額定Ic=50A，那么IGBT開通時的電流不應(yīng)該大于此值，可得到最小Rmin;Rmin=Vbr/Ic=785/50=15.7ohm;

制動電阻阻值Rmax：

由于制動時刻的最大扭矩為額定1.3倍，電阻上消耗的能量來自直流回路，它應(yīng)該不小于最大制動扭矩時的再生發(fā)電能量，即IGBT開通時需要將母線這部分能量消耗掉，才能保證母線電壓不繼續(xù)升高Rmax=Vbr^2/(1.3*P)=785*785/15000/1.3=31.6ohm

制動電阻阻值范圍

R=15.7ohm~31.6ohm，之后的計算中我們假設(shè)選定制動電阻R=16ohm;

確認制動電阻的功率

一般變頻器廠商在定義制動電阻時，是針對確定的制動循環(huán)進行設(shè)計。根據(jù)負載不同的慣量和制動循環(huán)，可以分為一般慣量輕度循環(huán)(比如風機水泵)，大慣量中度循環(huán)(比如一般機械設(shè)備)，高慣量重度循環(huán)(比如起重機)。下面按一般慣量輕度循環(huán)舉例：

在t2的起始點，制動電阻峰值功率：

Pmax= 1.3*P*?1*?2=16.24kW;

在整個T的時間段，制動電阻的平均功率：

Pn= Pmax * t2/T=162400*4/40=16240*0.1=1624W;

綜上變頻器在1.3倍制動轉(zhuǎn)矩且10%占空比的輕度循環(huán)下，制動電阻的參數(shù)是16ohm/1624W，10%的占空比且最大開通時間是4秒，用戶可以根據(jù)制動電阻供應(yīng)商的產(chǎn)品清單選型，并保證所選電阻的功率至少是理論計算值的2~3倍。

確定制動時brake IGBT的開關(guān)頻率和占空比

由于Brake IGBT在消耗電機反饋的能量時需要不停地開通關(guān)斷，所以必須計算開關(guān)頻率和占空比確保制動電阻能夠消耗電機反饋的能量，從而保證母線不再上升。由于制動時母線在滯回區(qū)間760~785VDC變動，母線變化會導致制動電流Ibr和回饋充電電流Icharge有小幅變化，但為了方便計算我們就假定這兩個值基本維持不變，可得如下：

16ohm制動電阻在制動時的IGBT電流Ibr

Ibr=Vbr/R=785/16=49.1A

電機能量反饋時的電容充電電流Icharge=1.3*P*?1*?2/Vbr=1.3*15000*0.85*0.98/785=20.69A

Brake IGBT開關(guān)頻率

有了Ibr和Icharge，就可以得到IGBT關(guān)斷時Δt時間內(nèi)母線電壓上升值 ΔU↑和IGBT開通時Δt時間內(nèi)母線電壓下降值ΔU↓：

ΔU↑=Icharge*Δt/C=20.69*Δt/(1660uF*0.000001)=12460*Δt (V)

ΔU↓= (Ibr - Icharge)*Δt/C=(785/16-20.69)*Δt/(1660*0.000001)=17090*Δt (V)

制動策略是母線受到電機再生電能影響，電壓值達到制動閾值785VDC時開通IGBT，母線電壓開始下降達到滯回區(qū)間下限760VDC才會關(guān)斷IGBT，然后母線再次受到電機再生電能的回饋電壓再次上升，達到785VDC后再開通IGBT，周而復始，所以Ton/Toff時間如下：

IGBT Ton的Vbus下降階段，ΔU↓=785-760即Δt1=25/17090=1.46ms;

IGBT Toff的Vbus上升階段，ΔU↑=785-760即Δt2=25/12460=2ms;

T=Ton+Toff=Δt1+Δt2=1.46+2=3.46ms

Fsw=1/(Ton+Toff)=1/3.46=289Hz

確定Brake IGBT PWM占空比Duty-cycle=Ton/T=1.46/(1.46+2)=42.2%

SemiSel仿真配置

確定開關(guān)頻率、電阻阻值、占空比、開關(guān)頻率后，就可以用賽米控專用的仿真軟件SemiSel進行計算，下面詳細介紹如何使用SemiSel進行仿真

選擇DC/DC中Brake Chopper

選擇extended overload configuration，并且參數(shù)配置如下：

i) t:0~35.999s，Vdc=785VDC，R=16ohm，fsw=289Hz，占空比0;

ii) t：36~40s，Vdc=785VDC，R=16ohm，fsw=289Hz，占空比0.422;

iii) t：40.001s，Vdc=785VDC，R=16ohm，fsw=289Hz，占空比0;

模塊選擇MiniSKiiP35NAB12T4V1

之前假定了散熱器在額定工況下最高為85°C，此處就選擇Fixed heastsink temperature頁面，并配置溫度為85°C;

IGBT損耗結(jié)果和Tj溫度波動

點擊calcuate按鍵后，就會出現(xiàn)最后的損耗和結(jié)溫的結(jié)果。選取overload頁面。

IGBT損耗和曲線

從下圖可以得到IGBT的損耗產(chǎn)生在t=36~40s時間段;隨著結(jié)溫上升損耗也會同步微幅增加，在t=40s時的損耗會達到最高45W，其中導通損耗43.42W，關(guān)斷損耗1.58W。

IGBT結(jié)溫和曲線

從下圖可以得到IGBT結(jié)溫在36s~40s開始上升，t=40s結(jié)溫最高可以達到115°C至119°C，遠遠小于運行結(jié)溫150°C，同時我們可以用光標移動到各個時間點就可以得到對應(yīng)溫度。

總結(jié)

最后再總結(jié)一下，制動電阻的計算主要分為兩部分：首先是根據(jù)廠家定義的制動扭矩和制動循環(huán)來確定電阻本身的阻值和功率;再根據(jù)選定的阻值使用SemiSel確定IGBT的損耗并確認結(jié)溫是否在IGBT允許工作的范圍內(nèi)。用戶可以根據(jù)自身變頻器定義的制動工況來選擇相對應(yīng)的參數(shù)來進行計算和驗證。

關(guān)于賽米控

賽米控成立于1951年, 總部位于德國, 是全球領(lǐng)先的功率模塊和系統(tǒng)制造商之一。產(chǎn)品覆蓋從芯片、分立器件、二極管、晶閘管、IGBT功率模塊到系統(tǒng)和功率組件，主要應(yīng)用于中等至大功率范圍。賽米控的產(chǎn)品是能源控制和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心器件，其業(yè)務(wù)重點包括電機驅(qū)動、電源、可再生能源(風能和太陽能)和多用途車輛等。賽米控的創(chuàng)新電力電子產(chǎn)品幫助客戶開發(fā)更小，更節(jié)能的電力電子系統(tǒng)。

原文標題：變頻器設(shè)計中，剎車電阻如何選?Chopper結(jié)溫如何評估?

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審核編輯：湯梓紅