变频器能耗制动斩波控制原理

能耗制动就是利用电阻将从电动机送回的电能转换为热能消耗掉的制动方式。制动电阻连接在直流回路上，能量流动路径是：机械设备的机械能一电动机发电电能一逆变器一直流回路一制动电阻一热能。能耗制动电路的设计涉及制动电阻阻值、功率以及制动单元功率、控制方式等几个方面的内容。制动电阻的功率和制动单元的功率主要涉及制动电路自身规格。制动电阻阻值一方面受最大制动能力限制，另一方面涉及流过逆变器的瞬间电流大小，因此，是需要仔细设计的重要参数，制动单元的控制方式则涉及是否能够有效地控制制动过程的。

变频器电动运行时，直流电压接近交流电峰值，大约540V。制动运行时，直流电压的最低值应该高于交流电峰值，例如选择为620V左右，使整流二极管持续截止，保证不再有电网能量注入变频器。而直流电压的最高值则不能超过IGBT的耐压水平，并且要留有一定裕量，即应该低于过电压保护时的电压值，例如直流过电压保护值为780V时，制动时直流电压上限可选择为720V左右。

再生发电制动运行时，回馈到直流回路的电能积累在电容器内，导致电容器端电压（也就是直流电压）的上升，再生发电功率越大，电压上升的速度越快，即上升斜率越大。当直流电压上升到制动运行时的电压上限时，制动单元控制电路使制动斩波器件导通，电阻被并联到直流回路上。

电阻上消耗的能量来自直流回路，它应该不小于最大制动需要时的再生发电能量，因此，在制动单元导通时，通过电阻的电流除一部分来自逆变器外，另一部分则来自电容器内电能的释放。电容器内电能的释放会导致直流电压降低，再生发电功率越低，它与电阻消耗功率的差值越大，直流电压下降越快，即下降斜率越大。当直流电压下降到制动运行时的电压下限时，制动单元控制电路使斩波器件截止，电阻从直流回路上切除。

这样交替导通和截止，使直流电压交替上升和下降，就构成了斩波控制方式。斩波控制时，直流电压在一个固定范围变化，因此电容器内存储的电能也在一定范围内波动，平均值不变，从而保证电阻上消耗的平均功率正好等于通过逆变器送回的再生发电功率。至于再生发电功率本身的控制，与频率及电动机磁通有关，它是受逆变器工作状态控制的。换句话说，电磁制动时由变频器控制部分通过逆变器去控制制动功率的大小，而制动单元则负责将送回直流回路的电能全部消耗在制动电阻上。制动单元的工作只需要根据直流电压来决定，这就是为什么制动单元可以独立于变频器单独安装的原因。

再生发电功率大时，直流电压上升快而下降慢，制动单元导通时间长而截止时间短；再生发电功率小时，直流电压上升慢而下降快，制动单元导通时间短而截止时间长，从而形成类似脉宽调制的斩波调节控制。能耗制动斩波控制原理如图5-33所示。

图5-33 能耗制动斩波控制原理

（a）中等再生发电功率；（b）再生发电功率较高；（c）再生发电功率较低

制动电阻的阻值大小将决定制动电流的大小，制动电阻的功率将影响制动的速度。制动电阻的功率均是按短时工作制进行标定的，选择时应加以注意。当电动机以四象限运行时，要考虑各种工况下制动能量的需求校核最严重的情况，并据此确定制动电阻。

制动电阻的选择方式是：首先计算制动力矩，再计算制动电阻的阻值，然后计算制动电阻的平均消耗功率，最后计算制动电阻的额定功率。

（1）计算制动力矩。制动力矩可由下式计算

（5-23）

式中：TB为制动力矩，N·m; JM为电动机转动惯量，kg·m2;JL为折算至电动机轴的负载转动惯量，kg·m2;n1为减速开始速度，r/min;n2为减速完时速度，r/min; ts为减速时间，s； TL为负载转矩，N·m。

（2）计算制动电阻的阻值。在进行再生制动的情况下，即使不加放电的制动电阻，电动机内部也将有大约20%铜损被转换为制动转矩，考虑到这个因素，可以先按下式初步计算制动电阻的预选值

（ 5-24）

式中：ROB为制动电阻的阻值，Q；UC为直流回路电压，V，对于200V级变频器Uc =380V，而对于400V级变频器Uc =760V; TB为制动转矩，N·m; TM为电动机额定转矩，N·m; n1为减速开始速度，r/min。

式（5-24）中，如果（TB -0.2 TM）《0，则没有必要加制动电阻。

在制动电路中，放电电路由制动电阻和功率管组成。功率管允许通过的电流IC就是放电电路电流的最大允许值。所以，制动电阻的最小值为

（5-25）

因此，制动电阻RB的阻值应由如下条件来决定

（5-26）

有时变频器生产厂家在产品目录中会给出制动电阻最小值的参考值，可供用户在选择制动电阻时参考。

（3）计算制动电阻的平均消耗功率。如前所述，占电动机额定转矩20%的制动转矩由电动机内部损失产生，因此制动电阻的平均消耗功率为

（ 5-27）

（4）计算制动电阻的额定功率。制动电阻的选择将根据电动机是否处于重复加减速模式而不同。图5-34所示为交流电动机减速模式，图5-35所示为制动电阻的功率增加率。