變頻器能耗制動斬波控制原理

能耗制動就是利用電阻將從電動機送回的電能轉換為熱能消耗掉的制動方式。制動電阻連接在直流回路上，能量流動路徑是：機械設備的機械能一電動機發電電能一逆變器一直流回路一制動電阻一熱能。能耗制動電路的設計涉及制動電阻阻值、功率以及制動單元功率、控制方式等幾個方面的內容。制動電阻的功率和制動單元的功率主要涉及制動電路自身規格。制動電阻阻值一方面受最大制動能力限制，另一方面涉及流過逆變器的瞬間電流大小，因此，是需要仔細設計的重要參數，制動單元的控制方式則涉及是否能夠有效地控制制動過程的。

變頻器電動運行時，直流電壓接近交流電峰值，大約540V。制動運行時，直流電壓的最低值應該高于交流電峰值，例如選擇為620V左右，使整流二極管持續截止，保證不再有電網能量注入變頻器。而直流電壓的最高值則不能超過IGBT的耐壓水平，并且要留有一定裕量，即應該低于過電壓保護時的電壓值，例如直流過電壓保護值為780V時，制動時直流電壓上限可選擇為720V左右。

再生發電制動運行時，回饋到直流回路的電能積累在電容器內，導致電容器端電壓（也就是直流電壓）的上升，再生發電功率越大，電壓上升的速度越快，即上升斜率越大。當直流電壓上升到制動運行時的電壓上限時，制動單元控制電路使制動斬波器件導通，電阻被并聯到直流回路上。

電阻上消耗的能量來自直流回路，它應該不小于最大制動需要時的再生發電能量，因此，在制動單元導通時，通過電阻的電流除一部分來自逆變器外，另一部分則來自電容器內電能的釋放。電容器內電能的釋放會導致直流電壓降低，再生發電功率越低，它與電阻消耗功率的差值越大，直流電壓下降越快，即下降斜率越大。當直流電壓下降到制動運行時的電壓下限時，制動單元控制電路使斬波器件截止，電阻從直流回路上切除。

這樣交替導通和截止，使直流電壓交替上升和下降，就構成了斬波控制方式。斬波控制時，直流電壓在一個固定范圍變化，因此電容器內存儲的電能也在一定范圍內波動，平均值不變，從而保證電阻上消耗的平均功率正好等于通過逆變器送回的再生發電功率。至于再生發電功率本身的控制，與頻率及電動機磁通有關，它是受逆變器工作狀態控制的。換句話說，電磁制動時由變頻器控制部分通過逆變器去控制制動功率的大小，而制動單元則負責將送回直流回路的電能全部消耗在制動電阻上。制動單元的工作只需要根據直流電壓來決定，這就是為什么制動單元可以獨立于變頻器單獨安裝的原因。

再生發電功率大時，直流電壓上升快而下降慢，制動單元導通時間長而截止時間短；再生發電功率小時，直流電壓上升慢而下降快，制動單元導通時間短而截止時間長，從而形成類似脈寬調制的斬波調節控制。能耗制動斬波控制原理如圖5-33所示。

圖5-33 能耗制動斬波控制原理

（a）中等再生發電功率；（b）再生發電功率較高；（c）再生發電功率較低

制動電阻的阻值大小將決定制動電流的大小，制動電阻的功率將影響制動的速度。制動電阻的功率均是按短時工作制進行標定的，選擇時應加以注意。當電動機以四象限運行時，要考慮各種工況下制動能量的需求校核最嚴重的情況，并據此確定制動電阻。

制動電阻的選擇方式是：首先計算制動力矩，再計算制動電阻的阻值，然后計算制動電阻的平均消耗功率，最后計算制動電阻的額定功率。

（1）計算制動力矩。制動力矩可由下式計算

（5-23）

式中：TB為制動力矩，N·m; JM為電動機轉動慣量，kg·m2;JL為折算至電動機軸的負載轉動慣量，kg·m2;n1為減速開始速度，r/min;n2為減速完時速度，r/min; ts為減速時間，s； TL為負載轉矩，N·m。

（2）計算制動電阻的阻值。在進行再生制動的情況下，即使不加放電的制動電阻，電動機內部也將有大約20%銅損被轉換為制動轉矩，考慮到這個因素，可以先按下式初步計算制動電阻的預選值

（ 5-24）

式中：ROB為制動電阻的阻值，Q；UC為直流回路電壓，V，對于200V級變頻器Uc =380V，而對于400V級變頻器Uc =760V; TB為制動轉矩，N·m; TM為電動機額定轉矩，N·m; n1為減速開始速度，r/min。

式（5-24）中，如果（TB -0.2 TM）《0，則沒有必要加制動電阻。

在制動電路中，放電電路由制動電阻和功率管組成。功率管允許通過的電流IC就是放電電路電流的最大允許值。所以，制動電阻的最小值為

（5-25）

因此，制動電阻RB的阻值應由如下條件來決定

（5-26）

有時變頻器生產廠家在產品目錄中會給出制動電阻最小值的參考值，可供用戶在選擇制動電阻時參考。

（3）計算制動電阻的平均消耗功率。如前所述，占電動機額定轉矩20%的制動轉矩由電動機內部損失產生，因此制動電阻的平均消耗功率為

（ 5-27）

（4）計算制動電阻的額定功率。制動電阻的選擇將根據電動機是否處于重復加減速模式而不同。圖5-34所示為交流電動機減速模式，圖5-35所示為制動電阻的功率增加率。