浅谈起重机起升机构变频调速用制动电阻计算方法

浅谈起重机起升机构变频调速用制动电阻计算方法

李力

（北京起重运输机械设计研究院有限公司北京100007）

摘要：起重机起升机构电气制动的设计方案中，变频器搭配制动单元及制动电阻器的能耗制动作为一种安全经济的方案被广泛应用。本文通过对常用的下降势能功率及制动电流估算法的对比分析，并结合实际工程案列，简要阐述了起重机起升机构变频调速用制动电阻计算方法。

关键词：制动电阻计算；下降势能功率法；制动电流估算法

1.变频器电气制动过程分析

制动是一边吸收负载的能量，一边运转的运行方式。以达到让负载减速或停止的目的。老式起重机硬接电气线路的制动控制方法主要采用直接机械式制动，由机械摩擦片产生的摩擦转矩制动，该种方法存在很多不足之处，不仅机械冲击大，振动剧烈，而且摩擦片损耗很快。采用变频驱动的起重机在制动方法上则有了很大改善，变频驱动的电机在制动时，先进行电气制动，进行有效的制动缓冲，当制动对象速度降到很低时，机械制动器再进行动作，因此机械冲击非常小，制动过程平稳。

起重机电气制动种类很多，包括能耗制动，回馈制动，反接制动，涡流制动等，能耗制动的方案实际应用最多。

在起重机变频减速过程中，主要是通过降低变频器的输出频率来达到使电动机减速的目的。根据相关公式我们可以知道，电动机的同步转速与电源频率成正比关系，随着频率的降低，电动机的同步转速也在下降。同步转速从高速减低到低速响应速度很快，而电动机转子由于带有负载具有很大的惯性，瞬间仍然保持较高的转速，因此，电动机转子的实际转速高于同步转速，此时电动机处于发电状态，负载原有的部分动力和势能转换为电能，通过变频器的逆变装置回馈到直流母排上，导致直流母排的电压升高。为了释放升高的电能，变频器就需要匹配合适容量的制动单元进行能量释放，通过制动单元将电动机反馈回来的电能释放到外接的制动电阻上生成热能。否则，变频器将出现直流母排电压过高故障。

2.制动单元及制动电阻器

变频器外接制动单元搭配制动电阻是解决反馈再生能量的一种有效方法且电气制动效果良好。

制动单元外接于变频器整理单元与IGBT之间，由大功率电力晶体管GTR和相关的控制电路，驱动电路组成。其主要作用是检测变频器直流母排电压和控制制动电阻上的制动电流。当制动单元检测到变频器直流母排电压超过所设定的阈值时，内部的控制电路发出导通信号，驱动电路导通变频器直流母排与制动电阻，产生制动电流，将反馈再生电能以热能的形式消耗，保持变频器直流母排的电压稳定。

制动电阻器作为一种耗能载体，主要用于制动单元导通后与变频器直流母排形成回路产生制动电流，用于消耗电气制动时产生的再生电能。它的主要性能参数为功率和阻值。足够的功率值能保障制动电阻在消耗再生电能时的温升保持在一个合理的范围内，达到热平衡，而不出现过热。选择合理的的阻值能使得形成的制动电流，制动转矩能满足制动效果，但制动电阻值不宜过小，阻值过小形成的过大制动电流容易击穿制动单元的功率元件。

3电阻器制动功率和阻值的计算方法

3.1下降势能功率法

从能量守恒的角度来看，当起重机起升机构带动负载下放时，由于重力的作用，起升电机转子转速超过同步转速，电机工作在发电状态，产生回馈再生电能。此时电动机的主要驱动力由负载的势能转化而来。因此，产生的再生电能理论上应该等同于负载势能，进而等同于制动电阻上所消耗的热能。所以计算出负载下方时势能产生的功率便能得到电阻器制动功率。

下降物体势能产生的功率PE(W)

PE=GM×VM

制动功率（W）

PW=PE(1-η)

式中GM为最大下降载荷（N）

VM为最大下降速度（m/s）

η：电动机和变频器的效率（内耗功率）一般视为占20%

由上式计算出所需制动功率PW后，再根据厂家提供的手册，严格配置相应的制动单元和制动电阻，否则可能会因配置不当导致制动单元电流过大而损坏。

3.2制动电流估算法

1）制动电流是指制动时流过制动电阻和制动单元的直流电流。

按380V标准交流电动机来计算

P:电机额定功率（KW）

V:制动单元直流母排电压，一般情况下通常取DC700V

I:制动电流（A）

η：起重机起升机构的机械效率，一般情况下η=0.7

计算依据：起升机构电机在发电状态下产生的的再生电能被制动电阻完全发热消耗。

制动电阻消耗发热的功率（U×I）=起升电机发电状态再生电能（W）=1000×P×η

公式简化后可得：I=P，即制动电流值与电机功率值相等，这就表示电动机1KW功率需要1安培的制动电流就可以产生足够的的制动转矩

2）制动电阻的计算和选择（按100%制动转矩计算）

按380V标准交流电动机来计算：

电机额定功率（P）（KW）

制动电阻器功率（PR）（KW）

制动单元直流母排电压（V），一般情况下通常取DC700V

制动电阻等效电阻值（R）（Ω）

起重机起升机构的机械效率（η），一般情况下η=0.7

制动电阻功率安全系数（ξ），通常ξ=1.4

制动时间占空比（K），指再生过程占整个电机工作总时间的比例

通常K取值如下：

开卷和卷曲K=50-60%

钻井机械K=10-20%

电梯K=10-15%

离心设备K=5-20%

升降高度超过100米的起重机K=20-40%

偶尔制动的负载K=5%

其他K=10%

计算依据：起升机构电机在发电状态下产生的的再生电能被制动电阻完全发热消耗。

制动电阻消耗发热的功率（U×U/R）=起升电机发电状态再生电能（W）=1000×P×η

计算得：

制动电阻R=直流母排电压U/制动电流I

即：制动电阻值=700/电机功率KW数值

电阻功率PR=电机额定功率P×制动占空比值K

即：PR=P×K×η×ξ=P×K×0.7×1.4,近似地PR=P×K

4.工程实例

某项目一台桥式抓斗起重机，额定起重量为12.5T,起升机构采用变频控制，起升电机型号为YZP315M-6,功率为110KW,重载起升及下降速度为43米/分钟。试通过下降势能功率法与制动电流估算法来进行计算对比，合理选取起升变频器制动电阻。

4.1下降势能功率法

PE=GM×VM=12.5×1000×10×43/60=89583w

制动功率（W）

PW=PE×(1-η)=89583×（1-0.2）=71666w

式中GM为最大下降载荷（N）

VM为最大下降速度（m/s）

η：电动机和变频器的效率（内耗功率）一般视为占20%

4.2制动电流估算法

制动电阻吸收功率（U×I）=电机再生电能（W）=1000×P×η

计算得本项目制动电流I=P(KW)=110A

制动电阻R=700/I即：制动电阻最小值Rmin=700/110=6.36Ω

制动电阻功率PR=P×K×η×ξ=P×Kf×0.7×1.4=110000×0.4×0.8×1.4=49300w

结合本项目实际工程案列，对比上述两种计算方法可以看出，下降势能功率法计算所得的制动功率值较制动电流估算法计算所得的制动功率值较大，原因在于下降势能功率法所得的制动功率为最极端情况下所需的最大瞬间制动功率。由于起重机起升机构为间歇工作制，需考虑其对应的制动频率，即制动电流估算法中的K值。因此，实际需电阻器制动功率应考虑折算系数。综上所述，制动电流估算法所得结果更为合理。

作者简介

李力（1982-03-04），男，汉族，籍贯：湖南省衡阳市，当前职称：高级工程师，学历：本科，研究方向：起重电气。