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變頻器能耗制動單元及制動電阻的優化選擇

日期: 2019-10-12
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  制動單元供應商提醒您:隨著工業自動化生產的發展,變頻器使用頻率已經越來越高,為了達到生產效益最大化,往往會增加變頻器配套設備,如能耗制動單元和制動電阻來提高生產效益,下面就從變頻器能耗制動特點、不足及構成的基礎上,淺析變頻器能耗制動單元及制動電阻的優化選擇方法。


  1.變頻器能耗制動


  能耗制動采用的方法是在變頻器直流側設置制動單元組件,將再生電能消耗在制動電阻上來實現制動,這是一種處理再生能量的最直接簡單的方法,它將再生能量通過專門的能耗制動電路消耗在電阻上,轉化為熱能,此電阻被稱為電阻制動。


  能耗制動的特點是電路簡單,價格較低,不足是在制動過程中,隨著電動機轉速的下降,拖動系統動能也在下降,于是電動機的再生能力和制動轉矩也在減小,所以在慣性較大的拖動系統中,常會出現在低速時停不住,而產生“爬行”現象,從而影響停車時間或停位的準確性。因此能耗制動僅適用于一般負載的停車。能耗制動包括制動單元和制動電阻二部分。


  (1)制動單元

  制動單元的功能是當直流回路的電壓Ud超過規定的限值時,接通耗能電路,使直流回路通過制動電阻后以熱能方式釋放能量。制動單元可分內置式和外置式二種,內置式適用于小功率的通用變頻器,外置式則是適用于大功率變頻器或是對制動有特殊要求的工況。從原理上講,二者并無區別,制動單元都是作為接通制動電阻的“開關”,它包括功率管、電壓采樣比較電路和驅動電路。


  (2)制動電阻

  制動電阻是用于將電動機的再生能量以熱能方式消耗的載體,它包括電阻阻值和功率容量兩個重要的參數。通常在工程上選用較多的是波紋電阻和鋁合金電阻兩種:波紋電阻采用表面立式波紋有利于散熱減低寄生電感量,并選用高阻燃無機涂層,有效保護電阻絲不被老化,延長使用壽命;鋁合金電阻器耐氣候性、耐震動性,優于傳統瓷骨架電阻器,廣泛應用于要求高的惡劣環境使用,易緊密安裝、易附加散熱器,外型美觀。


  能耗制動的過程如下:當電動機在外力作用下減速、反轉時(包括被拖動),電動機即以發電狀態運行,能量反饋回直流回路,使母線電壓升高;制動單元采樣母線電壓,當直流電壓到達制動單元設置的導通值時,制動單元的功率開關管導通,電流流過制動電阻;制動電阻將電能轉換為熱能,電動機的轉速降低,直流母線電壓也降低;當母線電壓降至制動單元設定的關斷值時,制動單元的開關功率管截止,制動電阻無電流流過。


  制動單元與變頻器之間,以及制動單元與制動電阻之間的配線距離要盡可能短(線長在2m以下),導線截面要滿足制動電阻泄放電流的要求。制動單元在工作時,制動電阻將大量發熱,應使制動電阻有良好的散熱條件,連接制動電阻的導線要使用耐熱導線,導線勿觸及制動電阻器。制動電阻應使用絕緣擋片固定牢固,安裝位置要確保良好散熱,制動電阻器柜內安裝時應將制動電阻安裝在變頻柜的頂部。


  2.制動單元的選擇


  一般情況下,在進行電動機制動時,電動機內部存在一定的損耗,約為額定轉矩的18%~22%左右,為此計算出所需的制動轉距小于電動機額定轉矩的18%~22%就無需接制動裝置。


  在進行制動單元的選擇時,制動單元的工作最大電流是選擇的唯一依據。


  3.制動電阻的優化選擇


  在制動單元工作過程中,直流母線的電壓的升降取決于常數RC,R即為制動電阻的阻值,C為變頻器內部電容的容量。


  制動電阻的阻值太大,制動不迅速,太小了制動用開關元件很容易損壞。一般當負載慣量不太大時,認為電動機制動時最大有70%能量消耗于制動電阻,30%的能量消耗于電動機本身及負載的各種損耗上。


  低頻度制動的制動電阻的耗散功率一般為電動機功率的(1/4~1/5),在頻繁制動時,耗散功率要加大。有的小容量的變頻器內部裝有制動電阻,但在高頻度或重力負載制動時,內裝制動電阻的散熱量不足,容易損壞,此時要改用大功率的外接制動電阻。各種制動電阻都應選用低電感結構的電阻器;連接線要短,并使用雙絞線或平行線,采取低電感措施是為了防止和減少電感能量加到制動開關管上,造成制動開關管損壞。如果回路的電感大、電阻小,將會造成制動開關管損壞。


  制動電阻與使用電動機的飛輪轉矩有密切關系,而電動機的飛輪轉矩在運行時是變化的,因此準確計算制動電阻比較困難,通常情況是采用經驗公式取一個近似的值。


  RZ>=(2×UD)/Ie式中:Ie變頻器額定電流;UD變頻器直流母線電壓


  由于制動電阻為短時工作制,因此根據電阻的特性和技術指標,變頻調速系統制動電阻的標稱功率一般可用下式求得:

  PB=K×Pav×η%式中:PB為制動電阻標稱功率;K為制動電阻降額系數;Pav為制動期間平均消耗功率;η為制動使用率。


  各變頻器生產廠家為了減少制動電阻的阻值檔次,常對若干種不同容量的電動機提供相同阻值的制動電阻。因此,在制動過程中所得到的制動轉矩的差異是較大的。例如,艾默生TD3000系列變頻器對于配用電動機容量為22kW、30kW和37kW的變頻器,所提供的制動電阻規格,都是3kW、20Ω。制動單元在直流電壓為700V時導通,則制動電流為:

  IB=700/20=35A


  制動電阻的功率為:

  PB0=(700)2/20=24.5kW


  用于變頻調速系統的制動單元及制動電阻,是具有再生能量及要求準確停車的變頻調速系統安全可靠運行的必須配置,所以正確選用變頻調速系統時應優化選擇制動單元及制動電阻,不但可以減少變頻調速系統發生故障的機會,也可使所設計的變頻調速系統具有高的動態性能指標。

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