变频器的系统中制动电阻与制动单元的解析

一、描述

在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速小于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。

过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取必需的措施处理这部分再生能量。处理再生能量的方法有能耗制动和回馈制动。能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，因此又被称为“电阻制动”，它包括制动单元和制动电阻二部分。

二、制动单元和制动电阻的介绍

1、制动单元的介绍

　　制动单元相当于是一个电子开关，其内部的主要元件为IGBT模块，有一个直流电压检测电路，输出一个制动动作信号，来控制电子开关的通和断。接通时将制动电阻接入变频器的直流回路，对电机的再生电能进行快速消耗，以维持直流回路的电压在容许值以内。制动单元的功能是当直流回路的电压超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式二种，前者是适用于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。

2、制动电阻的介绍

　　制动电阻是用于将电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壳电阻两种：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，有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命；铝壳电阻在耐气候性、耐震动性上都优于传统瓷骨架电阻器，广泛应用于高要求恶劣工控环境使用，易紧密安装、易附加散热器，外型美观。

制动电阻的功用：

（1）保护变频器不受再生电能的危害

　　电机在快速停车过程中，由于惯性作用，会产生大量的再生电能，如果不及时消耗掉这部分再生电能，大量的再生电能就会直接作用于变频器的直流电路部分。轻者，变频器会报故障，重者，则会损害变频器。因此，应该使用制动电阻，保护变频器不受电机再生电能的危害。

（2）保证电电源网络的平稳运行

　　制动电阻将电机快速制动过程中的再生电能直接转化为热能，这样再生电能就不会反馈到电源电网络中，不会造成电网电压波动，从而起到了保证电源网络的平稳运行的作用。

三、制动单元和制动电阻的制动过程

能耗制动的过程如下：

　　A、当电机在外力作用下减速、反转时，电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；

　　B、当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；

　　C、制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低；

　　D、母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；

　　E、采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡母线电压，使系统正常运行。

四、制动单元和制动电阻的设计计算

1、设计计算

（1）首先估算出制动转矩

　　制动转矩 = [（电机转动惯量+电机负载测折算到电机测的转动惯量）*（制动前速度-制动后速度）]/375*减速时间-负载转矩。一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置；

（2）接着计算制动电阻的阻值

　　电阻的阻值 = 制动元件动作电压值的平方/（0.1047*(制动转矩-20%电机额定转矩）*制动前电机转速）。在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电解电容的容量。这里制动单元动作电压值一般为690V。

（3）然后进行制动单元的选择

　　在进行制动单元的选择时，制动单元的工作****电流是选择的唯一依据，其计算公式如下：制动电流瞬间值 = 制动单元直流母线电压值/制动电阻值

（4）最后计算制动电阻的标称功率

　　由于制动电阻为短时工作制，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将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得：制动电阻标称功率 = 制动电阻降额系数 X 制动期间平均消耗功率 X 制动使用率%

2、有关说明书的制动电阻值

　　变频器说明书中的制动电阻数据只是一个参考数据。因为在提供制动电阻数据时，要受到两个因素的制约：

　　（1）负载的惯性大小和工况是千差万别的，实际上不存在一个可用于各种情况的制动电阻值及其容量。

　　（2）变频器生产厂为了减少制动电阻的档次，常常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量的制动电阻。

　　所以，在选择制动电阻时，不应该盲目地按说明书选。而应注意根据生产机械的具体情况进行调整。调整的基本规律是：负载的惯性大，则制动电阻值应适当减小；制动时间较长或制动比较频繁者，应适当加大制动电阻的容量。

五、结束语

　　变频器已广泛应用在三相交流电动机调速控制中，制动单元和制动电阻作为其附属设备起相当重要的作用。制动单元和制动电阻在变频能耗制动的场合应用广泛，并且还能满足大位能负载下放时的平稳、快速制动的要求。国产制动单元和制动电阻的制作工艺完备，质量良好，造价低廉，值得推广应用。

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