变频器设计及制动能量计算秘笈

变频器动力制动能量的计算

当一台感应电机被机械驱动，并且有一台变频器给电机的出线端子提供某一电压的时候，它将作为一台发电机给变频器回馈能量。

通常，在交流电机和负载的减速阶段，储存的大部分能量将被电机转化为电能反馈到变频器。当一个高惯性负载突然减速时，会有过大的反馈能量不能被变频器的直流母线所吸收，导致直流母线上电压过高而跳闸。

由于变频器的直流侧电容只能吸收很小一部分的反馈能量，对于超过系统本身损耗的的制动力矩, 需提供一个动力制动电路来消除剩余能量。通过控制一个专用的制动控制电路控制的制动单元的工作/停止周期来防止直流母线上的电压过高。通过控制在发电过程中制动单元的工作/停止周期来防止直流电压超过最大值和直流侧电容的过度充电。许多变频器的固有特征是当输出频率小于基础频率时，为恒定V/F比值控制（力矩恒定）；当输出频率大于基础频率时，为恒电压控制（功率恒定）。因为其恒压变频特性，基础频率之上的再生功率是恒定的，但在基础频率之下，将逐渐衰减至在速度为零时功率为零。当停车时，系统固定损耗大多数情况为摩擦力使驱动系统停止。

当运行在基础频率之上任何速度，再生功率都为最大值且保持恒定，此时制动电阻器发挥最大功效。最大制动扭矩与在恒定电压下反比于电阻值的再生电流是一对函数关系。于是电阻值的选择决定了制动扭矩的大小。

电阻的额定功率取决于制动周期（制动时间和循环时间）和电阻的冷却。

出于安全的考虑，通常使用一个热继电器来单独保护电阻防止持续过载。这个热继电器应该控制切断变频器输入电源。

制动电阻的应用

通常情况下，当电源为380-460V时，变频器的直流母线电压最大值为800V，电阻，电缆，绝缘需与此工作电压匹配。

电阻值及额定功率可以由需吸收的能量，即释放的功率值和连续减速的延时时间算出。为了得到电阻的阻值需要知道要求的制动扭矩；为了得到电阻的额定功率需要知道负载的能量有多大。

电机和负载的动能等于 0,5 Jω2

在此 J = 电机和驱动器的总转动惯量(Kgm2 )

因为能量与角速度的平方成正比，系统的最大能量集中在高速状态，会在开始减速的时候传递给电阻。假如电机运转在基础频率之上，传递给电阻的能量为定值，直到降至基础频率以下。用于制动周期的制动电阻应能承受热冲击，推荐使用额定脉冲式电阻。

举例：

转动惯量为10 的负载由1500rpm减速到静止。

计算制动电阻值，额定功率。

首先最基本的一步是确定减速时间 (Tb)：

最大减速发生在电机额定转矩的150%。

最大值 Mb max = 1.5 x 191 = 286.5

最快的减速时间Tb :

可以确定一个实际的减速时间 , 对于这个例子，令 =7s

计算减速时间为7s时需要的制动转矩

制动功率为：

制动电阻阻值为：

电阻的额定功率为：

由于制动电阻的工作为间歇性的，其额定功率可按间歇性的功率选择而不必是连续功率。优点是可根据电阻的过载系数来充分利用电阻的过载值(O/L), 这个系数可由一组冷却曲线得出，这个曲线是由制动电阻生产商或者供应商提供的。

在这个例子中，减速时间设置为7秒，循环周期时间为30秒。

所选择的电阻的额定功率为：

实际上，在再生制动过程中，电机和负载的机械损耗可耗散15%到20%的制动能量。通常的情况下，实际上推荐的制动电阻阻值是代表应用中的最小值，使用推荐的阻值有可能会产生额外的制动转矩。然而，由于负载惯量的能量反馈值是由减速度决定，制动单元通过调整制动电阻的运行/停止周期来实现按照实际速率消耗能量。

变频器制动电阻选择、计算、安装与配线时应注意哪些问题?

一、制动电阻的选择（我们以380V变频器为例）:

1、制动单元又叫制动斩波器，和制动电阻一起配套工作，都是变频器的选件。

变频器正常的母线电压为540V(AC 380V机型）,当电机处于发电状态时，该母线电压会超过540V，最大允许700-800V，如长期或频繁超过这个最大值将会损坏变频器，所以用制动单元和制动电阻进行能量消耗，防止母线电压过高。

2、电机有两种情况会由电动状态转为发电状态：

A、大惯量负载快速减速或太短的减速时间

B、提升负载下行时一直处于发电状态

3、选择制动单元比较简单，一般按照和变频器同等功率就可以了

4、流过电阻的电流可以用以下公式计算

R=U/I

U一般为710-750V(制动单元动作电压），各个厂家设计不太一样，可以按照750V来考虑。

R为制动电阻的阻值，一般制动单元都有规定其最小阻值，请按照手册选取。如果没有这个数据，请按照U/I来计算， I为最大允许制动电流，按照80%变频器的额定电流来选

5、制动电阻的功率按照以下来选：

P＝ED%*U^2/R

ED%:制动使用率，按照一般经验，ED%的范围是从10%-50%不等。

如果制动频度低（偶尔动作），选10%即可。如果是长期或频繁动作，则按30%－50%选择即可，一般30%可满足大部分应用要求

二、变频器制动电阻的计算方法：

A、首先估算出制动转矩 一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置；

B、接着计算制动电阻的阻值 在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电解电容的容量。这里制动 单元动作电压值一般为710V。

C、然后进行制动单元的选择 在进行制动单元的选择时，制动单元的工作最大电流是选择的唯一依据.

D、最后计算制动电阻的标称功率 由于制动电阻为短时工作制，因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得： 制动电阻标称功率 = 制动电阻降额系数 X 制动期间平均消耗功率 X 制动使用率%

制动特点 能耗制动（电阻制动）的优点是构造简单，缺点是运行效率降低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量，且制动电阻的容量将增大。

制动力矩计算 要有足够的制动力矩才能产生需要的制动效果，制动力矩太小，变频器仍然会过电压跳闸。 制动力矩越大，制动能力越强，制动性能约好。但是制动力矩要求越大，设备投资也会越大。

制动力矩精确计算困难，一般进行估算就能满足要求。 按100%制动力矩设计，可以满足90%以上的负载。 对电梯，提升机，吊车，按100% 开卷和卷起设备，按120%计算 离心机100% 需要急速停车的大惯性负载，可能需要120%的制动力矩 普通惯性负载80% 在极端的情况下，制动力矩可以设计为150%，此时对制动单元和制动电阻都必须仔细合算，因为此时设备可能工作在极限状态，计算错误可能导致损坏变频器本身。 超过150%的力矩是没有必要的，因为超过了这个数值，变频器本身也到了极限，没有增大的余地了。

电阻制动单元的制动电流计算（按100%制动力矩计算）

制动电流是指流过制动单元和制动电阻的直流电流。

380V标准交流电机：

P――――电机功率P(kW) k――――回馈时的机械能转换效率，一般k＝0.7（绝大部分场合适用）

V――――制动单元直流工作点（680V-710V，一般取700V）

I――――制动电流，单位为安培

计算基准：电机再生电能必须完全被电阻吸收 电机再生电能（瓦）＝1000×P×k＝电阻吸收功率（V×I）

计算得到I=P。。。。。。。。。。制动电流安培数＝电机千瓦数 即每千瓦电机需要1安培制动电流就可以有100%制动力矩 制动电阻计算和选择（按100%制动力矩计算）

电阻值大小间接决定了系统制动力矩的大小，制动力矩太小，变频器仍然会过电压跳闸。

电阻功率选择是基于电阻能安全长时间的工作，功率选择不够，就会温度过高而损坏。 380V标准交流电机： P――――电机功率P(kW) k――――回馈时的机械能转换效率，一般k＝0.7（绝大部分场合适用） V――――制动单元直流工作点（680V-710V，一般取700V） I――――制动电流，单位为安培 R――――制动电阻等效电阻值，单位为欧姆 Q――――制动电阻额定耗散功率，单位为kW s――――制动电阻功耗安全系数，s＝1.4 Kc――――制动频度，指再生过程占整个电动机工作过程的比例，这事一个估算值，要根据负载特点估算

一般Kc取值如下：

电梯 Kc＝10~15%

油田磕头机 Kc＝10~20%

开卷和卷取 Kc＝50~60%

最好按系统设计指标核算 离心机 Kc＝5~20%

下放高度超过100m的吊车 Kc＝20~40%

偶然制动的负载 Kc＝5% 其它 Kc＝10%

电阻计算基准：电机再生电能必须被电阻完全吸收 电机再生电能（瓦）＝1000×P×k＝电阻吸收功率（V×V/R）

计算得到：制动电阻R=700/P （制动电阻值＝700/电机千瓦数）

电阻功率计算基准： 电机再生电能必须能被电阻完全吸收并转为热能释放 Q=P×k×Kc×s＝P×0.7×Kc×1.4 近似为Q=P×Kc 因此得到：

电阻功率Q＝电动机功率P×制动频度Kc 制动单元安全极限： 流过制动单元的电流值为700/R.

三、变频器制动电阻的安装和配线注意事项

1．制动电阻的安装

制动电阻是一个发热体，因此，安装的要点如下：

(1)安装位置制动电阻不能和变频器装在同一个控制柜内，以免使变频器受热。也不要太靠近其他怕热的设备，以免影响其他设备的正常运行。

制动电阻也不要和变频器离得太远，一般应在5m以内，最多也不要超过10m。

(2)电阻柜的设计电阻柜应充分考虑制动电阻的散热。

首先必须有足够的空间；其次是要有散热孔。对于接通比较频繁的制动电阻，还应配置散热风扇。

2．制动电阻的配线

因为制动电阻通常和直流电路的“+”端相接，一旦掉在地上，影响人身安全。所以，接线一定要牢靠。尤其是靠近电阻箱的接线端子，容易因受热而氧化，应特别注意。

当电阻箱与变频柜之间的距离超过5m时，应采用双绞线。

扩展知识：风机水泵变频调速节能原理：

通过流体力学的基本定律可知：风机、泵类设备均属平方转矩负载，其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系：Q∝n1，H∝n2，P∝n3；即，流量与转速成正比，压力与转速的平方成正比，轴功率与转速的立方成正比。

Q2=Q1(n2／n1)

H2=H1(n2／n1)

P2=P1(n2／n1) 因而，理想情况下有如下关系：

因而，理想情况下有如下关系：

由上表可见：当需求流量下降时，调节转速可以节约大量能源。例如：当电机在额定转速的80％运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的(80％)，即51．2％，去除机械损耗、电机铜、铁损等影响，节能效率也接近40％，同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。如采用传统的挡板、阀门方式调节，虽然也可相应降低能源消耗，但节约效果与变频相比，则有天壤之别。

变频器制动电阻设计计算方法

变频器制动电阻设计计算方法一(简单计算）

1、 首先依据电动机大小确定变频器的功率大小；

2、 制动单元功率的选择一般是变频器的功率大小的（1～2）倍；

3、 制动电阻值大小选择公式700/电动机功率KW（采用多个制动单元并联运行时，每个制动单元所配置的电阻器阻值不小于700/电动机功率KW；最小电阻值要按照有关配置表查得）；

4、 制动电阻器功率大于电动机功率KW/2。（按照公式Pb=8Q*v*η）

5、 制动电阻器箱数粗略计算为：电动机功率（KW）/11.2(取整数上限值).

变频器制动电阻设计计算方法二

制动单元与制动电阻的选配

1、首先估算出制动转矩

一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置；

2、接着计算制动电阻的阻值

在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电解电容的容量。这里制动单元动作电压值一般为710V。

3、然后进行制动单元的选择

在进行制动单元的选择时，制动单元的工作最大电流是选择的唯一依据

4、最后计算制动电阻的标称功率

由于制动电阻为短时工作制，因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得：

制动电阻标称功率 = 制动电阻降额系数 X 制动期间平均消耗功率 X 制动使用率%

5、制动特点

能耗制动（电阻制动）的优点是构造简单，缺点是运行效率降低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量，且制动电阻的容量将增大。

制动力矩计算

要有足够的制动力矩才能产生需要的制动效果，制动力矩太小，变频器仍然会过电压跳闸。

制动力矩越大，制动能力越强，制动性能约好。但是制动力矩要求越大，设备投资也会越大。

制动力矩精确计算困难，一般进行估算就能满足要求。

按100%制动力矩设计，可以满足90%以上的负载。

对电梯，提升机，吊车，按100%

开卷和卷起设备，按120%计算

离心机100%

需要急速停车的大惯性负载，可能需要120%的制动力矩

普通惯性负载80%

在极端的情况下，制动力矩可以设计为150%，此时对制动单元和制动电阻都必须仔细合算，因为此时设备可能工作在极限状态，计算错误可能导致损坏变频器本身。

超过150%的力矩是没有必要的，因为超过了这个数值，变频器本身也到了极限，没有增大的余地了。

电阻制动单元的制动电流计算（按100%制动力矩计算）

制动电流是指流过制动单元和制动电阻的直流电流。

380V标准交流电机：

P――――电机功率P(kW)

k――――回馈时的机械能转换效率，一般k＝0.7（绝大部分场合适用）

V――――制动单元直流工作点（680V-710V，一般取700V）

I――――制动电流，单位为安培

计算基准：电机再生电能必须完全被电阻吸收

电机再生电能（瓦）＝1000×P×k＝电阻吸收功率（V×I）

计算得到I=P。。。。。。。。。。制动电流安培数＝电机千瓦数

即每千瓦电机需要1安培制动电流就可以有100%制动力矩

制动电阻计算和选择（按100%制动力矩计算）

电阻值大小间接决定了系统制动力矩的大小，制动力矩太小，变频器仍然会过电压跳闸。

电阻功率选择是基于电阻能安全长时间的工作，功率选择不够，就会温度过高而损坏。

380V标准交流电机：

P――――电机功率P(kW)

k――――回馈时的机械能转换效率，一般k＝0.7（绝大部分场合适用）

V――――制动单元直流工作点（680V-710V，一般取700V）

I――――制动电流，单位为安培

R――――制动电阻等效电阻值，单位为欧姆

Q――――制动电阻额定耗散功率，单位为kW

s――――制动电阻功耗安全系数，s＝1.4

Kc――――制动频度，指再生过程占整个电动机工作过程的比例，这事一个估算值，要根据负载特点估算

一般Kc取值如下：

电梯 Kc＝10~15%

油田磕头机 Kc＝10~20%

开卷和卷取 Kc＝50~60% 最好按系统设计指标核算

离心机 Kc＝5~20%

下放高度超过100m的吊车 Kc＝20~40%

偶然制动的负载 Kc＝5%

其它 Kc＝10%

电阻计算基准：电机再生电能必须被电阻完全吸收

电机再生电能（瓦）＝1000×P×k＝电阻吸收功率（V×V/R）

计算得到：制动电阻R=700/P （制动电阻值＝700/电机千瓦数）

电阻功率计算基准：

电机再生电能必须能被电阻完全吸收并转为热能释放

Q=P×k×Kc×s＝P×0.7×Kc×1.4

近似为Q=P×Kc

因此得到：

电阻功率Q＝电动机功率P×制动频度Kc

制动单元安全极限：

流过制动单元的电流值为700/R