变频器制动电阻选型方法研究

变频器制动电阻选型方法研究

郝桂峰

(天津市松正电动汽车技术股份有限公司天津市300308)

摘要：在一般情况下，变频器只能通过自带或外接的制动电阻将这部分电能转化为热能释放。这种情况下，制动电阻是将电机的回馈能量以热能方式消耗的载体，应依据实际制动扭矩大小进行选择或复核。若余量过大，会造成经济和安装空间的浪费，若性能不足，则不能及时释放回馈能量，使直流母线电压过高，最终导致变频器出现过压保护，系统无法正常工作。基于此，本文主要对变频器制动电阻选型方法进行了简要的分析，以供参考。

关键词：变频器；制动电阻；选型方法

引言

变频器驱动电机有许多优点，如：提高驱动电机的功率因数，减少电能消耗；平滑启动、制动电机，延长电机使用寿命等，所以应用越来越广泛。但是，在变频器的选用中，还应该注意一些细节问题，才能让变频器更好、更高效服务于生产。

1变频器制动概述

变频器是利用电子元器件，将工频电源转换为另一频率的电能控制装置。它可以将50Hz交流电源经过整流转换成直流电源，再把直流电源转换成频率、电压均能控制的交流电源输送给电机。在变频器制动主要包含以下几个方面：

1.1能耗制动

能耗制动指的是将再生能量通过直流回路里面安装的“制动电阻”进行消耗的方式。它的主要好处有相对于回馈制动的方式，其对电网的污染更小，花费相对较低、拥有比较简单的构造；缺点是有着比较低的运行效率，当制定的频率较为频繁的情况下，在能量的损耗方面将会大大提高，同时会使得制动电容的容量变大。在通用变频器里面，22kW以下的变频器（一般称为小功率变频器）一般情况下都会将刹车单元进行内置，所以我们仅仅添加刹车电阻就可以了。而在22kW以上的变频器（一般称为大功率变频器）就需要同时进行刹车电阻以及外置刹车单元的安装了。

1.2回馈制动

如果要对能量回馈制动进行实现，就必须具备以下条件：控制回馈电流、控制电压同频同相等等。它是通过运用源逆变技术进行实现的，它对再生电能进行转换，转换为与电网交流电频率相位均相同的交流电，然后再回传入电网，以此使制动得以实现。回馈制动中的其中一个好处为能四象限运行，电能回馈使得系统的效率能够得以有效的提升。而它的缺点有以下三个方面：①对环境的要求比较苛刻，必须在电网电压比较稳定（即是电网电压波动小于或等于10%）且不容易出现故障的情况下，回馈制动方式才可以进行使用。这是由于如果在发电制定工作的时候，电网电压由于故障而停止运行的时间超过了2ms，那么就会出现换相失败的状况，从而导致内部构件遭到损害。②在回馈制动处在回馈的工作段时，会污染到电网的有谐波。③若想实现回馈制定，将需要花费大量的资金，同时其在控制方面是比较复杂的。

2制动电阻的选择

电机在发生再生状态时产生的电流，经过逆变电路中的反并联二极管全波整流后，流到直流电路。如果直流电压达到设定的阀值UD时，变频器过电压跳闸。防止直流过电压的方法主要是接入制动电阻，吸收直流电路中的多余电能（图1）：当直流电压超过阀值UD时，BV导通，RB吸收电能；反之，BV截止，RB停止吸收电能。

图1变频器工作原理

制动电阻的大小由制动转矩决定。多数情况下，制动转矩的大小和电机的额定转矩相等，即TB=TMN。惯性较大并且要求较快制动的负载，制动转矩等于二倍电机的额定转矩（TB=2TMN）也足够了。因此制动转矩TB的取值范围为（1~2）TMN。当制动电阻的电流IB等于电机额定电流IMN时，制动转矩约为电机额定转矩的2倍。设功率因数为0.75，则IB的取值范围为（1~2）PMN。其中，PMN为电机额定功率。根据欧姆定律，可得出制动电阻RB。所以，选择制动电阻时，应根据负载、工作情况来进行调整：负载的惯性大，制动电阻值适当减小；制动时间长或频繁制动，应适当加大制动电阻的容量。

3案例分析

3.1应用概述

采用三菱FR-A840-22K变频器驱动交流电机，通过扭矩电机模拟大位能负载在减速阶段或电机所传动的位能负载下放工况的制动扭矩，搭建测试试验台，如图2所示。

图2试验原理图

图2中，2台计算机1台通过变频器控制交流电机启停、转速大小及方向。另1台通过扭矩电机控制器控制扭矩电机启停、扭矩大小及方向。交流电机变频器为三菱公司产品，型号为FR-A84022K，配套的制动电阻型号为FR-ABR-22K。电压表连接变频器直流母线，用于测量直流母线电压。转速表和扭矩仪用于测量电机实际转速及扭矩。

3.2分析

通过扭矩电机施加制动扭矩后，交流电机处于发电状态。由FR-A840-22K变频器使用手册可知，制动电阻的启用电压为760V。直流母线电压在760V以下时，制动电阻未启用，所产生的回馈能量全部由变频器及电机自身消耗，即P回馈=P消耗。在直流母线电压达到760V以前，母线电压和回馈能量均随制动扭矩增加而加大。

随着制动扭矩的增加，直流母线电压继续升高，当直流母线电压升高至760V时，制动电阻工作所产生的回馈能量由制动电阻及变频器、电机自身共同消耗，P回馈=P电阻（760V）+P消耗。在此阶段回馈能量随制动扭矩增加而加大，而直流母线电压保持不变。随着制动扭矩的增加，回馈能量继续增加，当P回馈＞P电阻（760V）+P消耗max时，直流母线电压会继续升高。

此过程，由于U母线升高，所以P电阻也在增加，此阶段P回馈=P电阻（760V-800V）+P消耗max。此阶段直流母线电压和回馈能量均随制动扭矩增加而加大。当直流母线电压达到800V时，P电阻达到最大值P电阻=2×800×800&pide;52×6=1477W。通过经验公式可知，当r=25r/s时，P消耗max=1650W。当r=30r/s时，P消耗max=1980W。由于此时P回馈＞P电阻max+P消耗max，所以直流母线电压会继续升高，超过变频器过压报警门限（800V），变频器出现过压报警。

在此阶段回馈能量和直流母线电压均随制动扭矩增加而加大，最终回馈能量超过最大释放能量，直流母线电压超过800V，变频器出现过压报警。若系统需要在此工况下正常工作，则必须减小制动电阻阻值，增加系统释放回馈能量的能力。

结束语

总而言之，在近些年，变频器的制动技术不断的进行着优化，相关企业也都应该根据自身情况，对其进行探究，使得技术可以满足市场的发展需要。对整个技术模型也要做到系统性的把控，在保证安全的前提下对其进行改进，以使变频器的制动技术方面的发展更加稳定，也可以为变频器的发展打下坚实的基础。

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