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1、变频器制动电阻介绍及计算方法1 引言目前市场上变频器的制动方法大致有三种：能耗制动，直流制动，回 馈（再生）制动。目前关于制动电阻的计算方法有很多种，从工程的 角度来讲要精确的计算制动电阻的阻值和功率在实际应用过程中不 是很实际，主要是部分参数无法精确测量。目前通常用的方法就是估 算方法，由于每一个厂家的计算方法各有不同，因此计算的结果不大 一致。2 制动电阻的介绍制动电阻是用于将电动机的再生能量以热能方式消耗的载体，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两种：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
2、阻丝不被老化， 延长使用寿命，台达原厂配置的就是这样的电阻；铝合金电阻易紧密 安装、易附加散热器，外型美观，高散热性的铝合金外盒全包封结构， 具有极强的耐振性，耐气候性和长期稳定性；体积小、功率大，安装 方便稳固，外形美观，广泛应用于高度恶劣工业环境使用。3 制动电阻的阻值和功率计算3.1刹车使用率ED%制动使用率ED%,也就是台达说明书中的刹车使用率ED%。刹车使用率 ED%定义为减速时间T1除以减速的周期T2,制动刹车使用率主要是为 了能让制动单元和刹车电阻有充分的时间来散除因制动而产生的热 量；当刹车电阻发热时，电阻值将会随温度的上升而变高，制动转矩 亦随之减少。刹车使用率ED%=制动时
3、间/刹车周期二Tl/T2*100%。（图 1）图1刹车使用率ED%定义现在用一个例子来说明制动使用率的概念：10的制动频率可以这样理解，如果制动电阻在1 0秒钟能够消耗掉1 0 0的功率，那么制动 电阻至少需要 90 秒才能把产生的热量散掉。3.2 制动单元动作电压准位当直流母线电压大于等于制动电压准位（甄别阈值）时，刹车单元动作进行能量消耗。台达制动电压准位如表 1 所示。电觐电li洲應界号PN咒毗狂用的朋緬悼23OVAC电券电低SHiffiJF站輙+ (Ph -即缕 DC U:;AflOVtjAC咕扑电:制劝幵曲屯低 + Ph -伸M圾DC电：1曲 Dvac33OVdeJBOVac66(V
4、dc20DVtMSVde690V(fc21DVcvdc72OVdc220Vac3WVdc艸际760V左230c4OOVdc460VacSMVdc24DVacJl5Vdc48WjcB3QVdc r Til : I T tO%|.3.3 制动电阻设计（1）工程设计。实践证明，当放电电流等于电动机额定电流的一半 时，就可以得到与电动机的额定转矩相同的制动转矩了，因此制动电 阻的粗略计算是：其中：乙制动电压准位洒电机的额定电流为了保证变频器不受损坏，强制限定当流过制动电阻的电流为额定电 流时的电阻数值为制动电阻的最小数值。选择制动电阻的阻值时，不 能小于该阻值。根据以上所叙，制动电阻的阻值的选择范围为
5、:制动电阻的耗用功率当制动电阻 在直流电压为Up的电路工作时, 其消耗的功率为：耗用功率的含义：如果电阻的功率按照此数值选择的话，该电阻可以 长时间的接入在电路里工作。现场中使用的电阻功率主要取决于刹车使用率ED%。因为系统的进行 制动时间比较短，在短时间内，制动电阻的温升不足以达到稳定温升。 因此，决定制动电阻容量的原则是，在制动电阻的温升不超过其允许 数值（即额定温升）的前提下，应尽量减小容量，粗略算法如下：= a* 严= a*琴为制动电阻的降额系数为实际的选用电阻阻值巴为制动电阻的功率（2）设计举例。根据以上的公式我们可以大致的推算出来我们需要 的制动电阻的阻值和功率。以台达 VFD07
6、5F43A 变频器驱动 7.5KW 的 电机作为例来说明，7.5KW电机额定电流是18A,输入电压AC460,则 有：欧因此制动电阻的阻值取值范围：44.4 A 88.9选择电阻阻值要选择市场上能够买到的型号和功率段为宜，选择阻值75 欧。马S节皿i谿警心二716W根据实际的情况可以在计算的数值功率上适当的扩大。4 结束语制动电阻的阻值和功率的计算都是从工程的角度来考虑的，因此在实 际的应用时需要结合现场的具体情况进行适当的该动，最终形成一个 经济适用的选择方案。关于制动电阻的选择，也是读者询问得较多的一个问题，归纳起来， 大致有以下三个方面:(1) 各种资料对于准确计算制动电阻的方法比较一致
7、或接近，但不易计算，尤其是难以得到拖动系统的飞轮力矩(GD2)的数据；(2) 各种资料介绍的近似算法的计算结果不大一致，难以适从;(3) 按照说明书配置的制动电阻，也会冒烟或烧坏，不知何故？1 基础知识1.1 变频调速系统的降速过程 众所周知，在变频调速系统中，电 动机是通过不断地降低频率来减速的。随着频率的下降，同步转速(旋 转磁场的转速)也下降，电动机转子的实际转速超过了同步转速，转 子绕组因正方向切割磁力线而处于再生制动状态。再生的电能反馈给 直流回路，产生泵升电压。 从机械特性上看，通过降低频率而减速 的过程如图1 所示。（1） 降速前的工作状态假设降速前拖动系统的运行频率是fl,电动
8、机的机械特性为曲线； 负载为恒转矩性质，阻转矩为TL（为简便起见，假设TL中已包括损 耗转矩在内）。这时，工作点为Q点，电动机的电磁转矩TM与负载 转矩TL相平衡:TM=TL。（2）拖动系统的降速过程 首先，频率下降 为f2，机械特性变为曲线，由于在频率刚下降的瞬间，拖动系统 的转速因惯性而尚未改变，故工作点跳变到曲线的Q1点，进入第 二象限，电动机处于再生状态，电磁转矩为“”值，拖动系统的转 速延曲线下降；当下降到第一象限的Q1点时，频率又下降为f3， 机械特性变为曲线，工作点跳变到Q2点，再一次进入第二象 限，。 以此类推。 图 l 所示的过程是被大大地放大了的，实际 每两档频率之间的间隔
9、要小得多。 从以上的降速过程可以看出，每 次频率下降时，电动机只有部分时间处于再生制动状态，如图中阴影 部分所示。所以，反馈到直流电路的电压是脉冲式的，这就是被称为 “泵升电压”的原因。 l.2 与泵升电压有关的因素 泵升电压的大小 取决于转子绕组（鼠笼条）正方向切割磁力线的速度。具体地说，这取 决于当频率（从而同步转速）下降时，转子能否及时地跟随频率一起下 降。从机械特性上看，则取决于每次频率变换时转折点的位置，如图 中之Q1、Q2、Q3。但变频器在频率下降过程中，每两档频率之间的差是恒定的，因此泵升电压的大小主要与下列因素有关： 拖动系统的飞轮力矩GD2飞轮力矩大，则拖动系统的实际转速将因
10、 惯性大而下降得比较缓慢，频率变换时转折点的位置将左移，使泵升 电压增大。 (2)降速时间 tB 降速时间越短，则频率下降越快，拖动 系统的实际转速还没来得及下降多少，给定频率却又下降了，结果， 频率变换时转折点的位置也左移，使泵升电压增大。 在实际工作中， 降速的快慢可以看成是一个和惯性大小相关的相对概念。例如，降速 时间预置为10s,对于一个惯性较大的系统来说，可能是太快了;但 在惯性较小的系统中，则显然是太慢了。以这样的认识为基础，则降 速快慢与泵升电压的关系如图2 所示:如预置的降速时间较长，如图 中(a)所示，则频率变换时转折点的位置右移，如图中(b)所示。其结 果是泵升电压较小，达
11、不到直流电压的上限值，如图中(c)所示。反 之，如预置的降速时间较短，如图中(d)那样，则频率变换时转折点 的位置左移，如图中(e)所示。其结果是泵升电压增大，超过了直流 电压的上限值，如图中f)所示。1.3损耗转矩 拖动系统里存在着 各种各样的损失，如磨擦损失、通风损失等等，这些损失构成的损耗 转矩将帮助拖动系统降速。从能量的观点讲，这些损失要消耗功率， 在电动机处于再生状态时，消耗的是再生功率，从而抑制泵升电压的 增加。据一般估计，损耗转矩约为电动机额定转矩的 20%。也就是说， 损失功率能产生约20%TMN(电动机的额定转矩)的制动转矩。当系统 的惯性很小或降速时间很长时，整个降速过程都
12、是在电动机状态下进 行，如图3中(b)所示。因此，泵升电压为0,直流电压稳定在额定 值UDN。图中(d)所示是直流电压的测试点。2制动电阻的准确计算 2.1 准确计算制动电阻的依据 (1) 拖动系统对降速过程的要求 (a) 恳玫慕邓偈奔?nbsp;(b)降速过程(c)泵升电压为0 (d)电路的测试 点td转速从nl降至n2所需的时间，s; TL一负载阻转矩的折算 值，Nm。（2）制动电阻的计算值 在计算制动电阻时，TB中应把 损耗转矩（20%TMN）减去。根（3）式中:RB制动电阻的计算值，Q; UDH直流回路电压的允许上限值，V; TMN电动机的额定转 矩,Nm。在计算式（3）时，需要说明的
13、是：关于直流电压的上 限值UDH在三相线电压为380V的情况下，根据国家对电压波动上限 值的规定，有：UDH$380XV2X1.2=645V但大多数变频器中，对于 制动单元的动作电压，均取UDH=700V。 关于降速前的电动机转 速nMl生产机械在运彳丁过程中，nMl常常是变化的，是不大可能确定 的。在实际计算中，可以用电动机的额定转速nMN代入。3制动电 阻的近似计算上面介绍的计算制动电阻的方法虽然比较准确，但也 相当麻烦。从实际应用角度看，必要性也不大。因此，许多变频器的 使用说明书上给出了一些近似计算的方法，也有的直接提供了供用户 选用的制动电阻的规格。下面介绍几种主要的近似计算法。3.
14、l 近似计算方法笔者搜集到的较有代表性的近似计算方法主要有以下几种：方法1 （见于VLT5000变频器（丹麦丹佛斯）说明书）（4） 式中：PMN电动机的额定容量;常数“478801 ”是按UDH=850V计算 而确定的，如要减小UDH值，可按比例减小。根据式（4）计算结果选 用制动电阻时，所得制动转矩TB为：TB1.6PMN （5）方法2 （见于 明电VT230S变频器（日本）说明书）（6）式中：常数“593”是针对 400V级别变频器的;TB是所需要的制动转矩。方法3 (根据各说明 书提供的数据统计而得) 当通过制动电阻的电流等于电动机额定电 流的50%时，所得到的制动转矩约等于电动机的额定
15、转矩，归纳如下: (7) (8)则TBTMN (9) 3.2制动电阻的取值范围各变频器生产厂 家为了减少制动电阻的阻值档次，常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。(1)制动转矩的取值范围TB= (0.82.0)TMN(10) 制动电阻的取值范围 ( 1 1 )由此也可看出，制动电阻的大小是允许在 一定范围内变动的。Y B值的取值大致如图6中(b)所示，这实际上 是图5所示的电阻温升曲线的倒置。由图可以看出: 如降速时间 tBV0.3 s,则取 y B=11； 如降速时间 0.3 sVtBV20 s,则 丫 B 的取值基本上是按比例下降的。这是因为，在这样短的时间内，电阻 的温升基本上按线性规律上升的；如降速时间tB20s，由于电 阻的温升曲线开始接近于稳定温升，故Y B的取值减小得比较缓慢。2)反复降速时Y B的取值 反复降速的工况如图7中(8 )所示，拖动 系统的升速与降速是反复进行的。设：tB每次降速所需时间，tC 每个降速周期所需时间，贝U： 如tB/tCW0.01,取Y B = 5; 如0.01 VtB/tCV0.03，Y B基本上按比例下降； 如tB/tC0.03, Y
