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变频器为什么使用制动电阻?

2020-6-19 11:08:23 2069 0

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tangxin588 发表于 2020-6-19 11:08:23 |阅读模式

tangxin588 楼主

2020-6-19 11:08:23

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。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网,仅靠变频器本身的电容吸收,虽然其他部分能消耗电能,
        但电容仍有短时间的电荷堆积,形成“泵升电压”,使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此在机械惯性比较大的系统中,需要采用制动电阻,如升降机、数控机床、提升机等。
        

          使用率
          制动电阻使用率规定了制动电阻的使用效率,以避免制动电阻过热而损坏,它会影响制动单元的制动效果。制动电阻的使用率设置越低,电阻的发热程度越小,电阻上消耗的能量越少,制动效果越差。同时,制动单元的容量也
          没有得到充分利用。理论上讲,制动电阻使用率为100%时,对制动单元容量的利用最充分,制动效果也最明显,然而这需要较大的制动电阻功率的代价,使用者应综合考虑。
          在制动电阻阻值和功率都已经确定的前提下,对于减速较慢的大惯性负载,选取较低的电阻使用率会取得较好的效果。对于需要快速停机的负载,宜选取较大制动电阻使用率。
          非重复制动
          所谓非重复制动,是指拖动系统在一个相当长的时间内只有一次减速制动过程,因此制动电阻在该段时间内只有一次消耗能量的过程,制动电阻的功率也因此可以进一步减小,减小的幅度决定于制动电阻的耐冲击能力和单次减速制动的动作时间。
          重复制动
          有些机械是需要反复制动的,如起重机械和龙门刨床等,在重复制动且制动时间较短的情况下,制动电阻的选用功率P 选用与制动占空比(每次制动时间tb与每两次制动之间的时间间隔tc之比tb/tc)有近似线性关系。制动占空比越小,制动电阻功率的降额使用的幅度越大(P 选用/P 额越小)。
        变频器在哪些情况下需要配制动电阻?
        变频器配制动电阻,主要是想通过制动电阻来消耗掉直流母线电容上的一部分能量,避免电容的电压过高。理论上如果电容存储的能量多,可以用来释放出来驱动电机,避免能量浪费,但是电容的容量有限,而电容的耐压也是有限的,当母线电容的电压高到一定程度,就可能会损坏电容了,有些还可能损坏IGBT,所以需要及时通过制动电阻来释放电,这种释放,是白白浪费掉的,是一种没有办法的做法。
        母线电容是个缓冲区,容纳能量有限
        三相交流电全部整流后,接入电容,满载运行时候,母线正常的电压大约是1.35倍,380*1.35=513伏,这个电压当然会实时波动的,但是最低不能低于480伏,否则会欠压报警保护。母线电容一般是两组450V电解电容串联而成,理论耐压是900V,如果母线电压超过这个值,电容会直接爆掉了,所以母线电压是无论如何都不能达到900伏这么高压的。
        实际上,三相380伏输入的IGBT的耐压值是1200伏,往往要求工作在800伏以内,考虑到电压如果升高,都会有个惯性问题,也就是你马上让制动电阻工作了,母线电压也不会很快降低下来,所以很多变频器,都是设计在700伏左右就通过制动单元让制动电阻开始工作,让母线电压降低下来,避免往上继续冲。
        所以制动电阻设计,核心就是考虑到电容和IGBT模块的耐压问题,避免这两大重要的器件被母线的高电压冲坏掉了,这两类元件如果坏掉了,变频器也就无法正常工作了。
        快速停车要制动电阻,瞬间加速也需要
        变频器母线电压之所以会变高,很多时候是变频器让电机工作在电子制动状态,让IGBT通过一定的导通顺序,利用电机是大电感电流不能突变,瞬间产生高压来往母线电容充电,这时候让电机快点降低速度下来。如果这时候没有制动电阻及时消耗掉母线的能量,母线电压将会持续变高而威胁变频器的安全了。
        

        如果负载不是很重,也没有什么快速停车要求,这种场合是不需要使用制动电阻的,即使你装了制动电阻,制动单元的工作阀值电压没有被触发,制动电阻也不会投入工作。
        除了大负荷减速场合需要增加制动电阻和制动单元来快速刹车外,实际上如果符合比较重,启动时间时间要求非常快那种,也需要制动单元和制动电阻来配合启动的,以往我试过用变频器带动一种特殊的冲床,要求把变频器的加速时间设计成0.1秒,这时候满负荷启动,虽然负荷并不是非常重,但是因为加速时间太短了,这时候母线电压波动非常厉害,也会出现过压或者过流的情况,后来增加了外置的制动单元和制动电阻,变频器就能正常工作了。分析起来,是因为启动时间太短,母线电容的电压瞬间被掏空了,而整流器瞬间有大的电流充进来,引起母线电压突然变高,这样母线的电压波动太厉害,瞬间可能会超过了700伏,加上了制动电阻,就可以及时消除这个波动的高压,让变频器工作在正常状态。
        还有一种特殊的情况,是矢量控制场合,电机的扭矩和速度方向相反,或者工作在零转速百分百扭矩输出的场合,比如吊机掉了重物停在半空中,收放卷场合需要力矩控制,都需要让电机工作在发电机状态,源源不断的电流会反充到母线电容中,通过制动电阻,就可以及时消耗掉这些能量,保持母线电压平衡稳定了。
        很多小变频器,比如3.7KW的,往往都内置了制动单元和制动电阻,应该是考虑到母线电容调小的缘由吧,而小功率的电阻和制动单元并没有那么贵。

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