变频器制动电阻的选择误区

机械能将转换成电能，反馈到直流电路，向滤波电
容器充电，使直流电路中的电压升高。当直流电压
超过一定的限值 ＵＤＨ 时，变频器将因“过电压”而 跳闸。变频器跳闸后，逆变桥将立即封锁，电动机
处于自由制动状态，这是用户所不希望的。
为了防止直流电压过高，必须配置制动电阻，
将直流电路中多余的电能通过制动电阻转换成热能
表中所列的只是一个参考数据，因为制动电阻 的发热时间常数非但和制动电阻的容量有关（容量大 者时间常数也长），还和制动电阻本身的结构及安装 环境有关。
（２） 反复加、减速 在加、减速比较频繁的情况下，制动电阻的工 况如图 ６ａ 所示。
ｎ ｎ１
ｎ２
Ｏ
ｔ
Ｂ
ｔＣ
ｔ／ｓ
（ａ） 制动电阻 θ θＳ
① θＢ
②
Ｏ
ｔＢ
ＲＢ＝ （ ０ ． ５ ～Ｕ Ｄ１ ．Ｈ ０ ） Ｉ Ｍ Ｎ ≈ （ １ ～ ２ Ｕ ） ｜Ｄ Ｈ Ｐ Ｍ Ｎ ｜ （５）
制动电阻的容量和负载工况的关系
１． 制动电阻的运行功率 当制动电阻接入电路时所消耗的电功率，称为 运行功率。计算方法如下
除此以外，当起重机械的起升装置使重物下降 时，由于重物有重力加速度的原因，使转子的转速 超过同步转速，如图 １ｃ 所示。图中：
同步转速 ｎ０＝１ ５００ ｒ／ｍｉｎ 转子转速 ｎＭ＝１ ５４０ ｒ／ｍｉｎ 转差Δｎ＝１ ５００－１ ５４０ ｒ／ｍｉｎ＝－４０ ｒ／ｍｉｎ， 转差的方向和旋转磁场相同。其结果，电动机也处 于发电机状态，所产生的电磁转矩的方向也和磁场 的旋转方向相反。这时，制动转矩的作用是，阻止 重物不断地加速，使重物能够匀速下降。 ２． 制动转矩和制动电阻是什么关系 变频器的逆变桥电路如图 ２ 所示，各逆变管旁 边都反并联一个二极管。电动机在再生状态时发出 的电流，经 ６ 个反并联二极管全波整流后，流向直 流电路，使直流电路的电压ＵＤ 升高，称为泵升电压。
实践证明，在大多数情况下，制动转矩的大小 和电动机的额定转矩相等（ＴＢ ＝ＴＭＮ）就已经足够了。 对于惯性较大，又要求较快制动的负载，所需制动 转矩也不会超过 ２ＴＭＮ。
因此，制动转矩的取值范围是 ＴＢ＝（１～２）ＴＭＮ （１） 式中 ＴＢ ——拖动系统需要的制动转矩，Ｎ·ｍ ＴＭＮ ——电动机的额定转矩，Ｎ·ｍ 有关资料表明：当通过制动电阻的放电电流等 于电动机额定电流时，制动转矩约为电动机额定转 矩的 ２ 倍
ＩＢ ＝ ＩＭＮ → ＴＢ ≈ ２ＴＭＮ 式中 ＩＢ——通过制动电阻的放电电流
ＩＭＮ——电动机的额定电流 对应于式（１）所示的制动转矩范围，放电电流ＩＢ 的取值范围是 ＩＢ＝（０．５～１．０）ＩＭＮ （２） 又因为 １ ｋＷ电动机的额定电流约等于 ２ Ａ，故 放电电流ＩＢ的取值范围又可以估算为 ＩＢ＝（１～２）︱ＰＭＮ︱ （３） 式中 ︱ＰＭＮ︱——电动机额定功率的千瓦数 根据欧姆定律 ＲＢ＝ＵＤＨ／ＩＢ （４） 式中 ＲＢ——制动电阻值 ＵＤＨ——直流电压的上限值 将式（２）和式（３）代入式（４），有
制动电阻的发热曲线如图５ｂ所示。在减速过程 中，能耗电路放电，制动电阻开始发热，其温升按 曲线①上升。但因能耗电路的放电时间 ｔＢ 很短，在 ｔＢ 时间内，制动电阻的温升θ Ｂ达不到稳定温升θＳ。 减速过程结束后，制动电阻开始散热，由于间隔时 间较长，制动电阻的温升足以下降到接近于０，针对 这种情况，修正系数αＢ 的大小，应该根据每次减速 的时间来决定，如下表所示，是不同减速时间修正 系数的参考值。
因此制动转矩的取值范围是式中拖动系统需要的制动转矩?电动机的额定转矩?有关资料表明当通过制动电阻的放电电流等于电动机额定电流时制动转矩约为电动机额定转矩的倍式中通过制动电阻的放电电流电动机的额定电流对应于式所示的制动转矩范围放电电流的取值范围是又因为电动机的额定电流约等于故放电电流的取值范围又可以估算为式中电动机额定功率的千瓦数根据欧姆定律式中制动电阻值直流电压的上限值将式和式代入式有制动电阻的容量和负载工况的关系制动电阻的运行功率当制动电阻接入电路时所消耗的电功率称为运行功率
制动转矩和制动电阻的关系
１． 制动转矩是怎样产生的 当异步电动机转子的转速超过了旋转磁场的转 速时，电动机将变成发电机，所产生的电磁转矩将 变成制动转矩。 电动机在正常运行时，转子的转速是低于旋转 磁场的转速（同步转速）的，转子绕组切割磁力线的 方向与磁场的旋转方向相反，例如，在图 １ａ 中： 同步转速 ｎ０＝１ ５００ ｒ／ｍｉｎ 转子转速 ｎＭ＝１ ４４０ ｒ／ｍｉｎ 转差Δｎ＝１ ５００－１ ４４０ ｒ／ｍｉｎ＝６０ ｒ／ｍｉｎ，转 差的方向和旋转磁场相反。 电动机产生的电磁转矩（ Ｔ Ｍ ） 使转子旋转起来， 旋转方向与磁场的旋转方向相同。 如果将频率降为４５ Ｈｚ，当频率刚下降的瞬间， 旋转磁场的转速（同步转速）立即下降为１ ３５０ ｒ／ｍｉｎ， 但由于拖动系统具有惯性的缘故，电动机转子的转 速不可能立即下降，仍为１ ４４０ ｒ／ｍｉｎ。于是，转子 的转速超过了同步转速，转子绕组切割磁力线的方
表 不反复减速的修正系数
ｔＢ／ｓ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ １５ ２０ α Ｂ ０．１０ ０．１４ ０．１７ ０．２０ ０．２２ ０．２４ ０．２６ ０．２８ ０．３０ ０．３２ ０．４０ ０．５０
例如，当每次减速的时间为４ ｓ 时，因为在４ ｓ 时间内，制动电阻的温升还达不到稳定温升，故取 αＢ＝０．２０；如果每次减速的时间为２０ ｓ，则因为在 ２０ ｓ 时间内，制动电阻的发热已经比较严重，故取 αＢ ＝０．５０。
ＵＤＨ
ＵＤ
Ｖ
＋ Ｃ
ＩＧ Ｍ
发电状态
ＴＭ ＦＭ
Ｓ
ＴＭ
Ｆ
Ｍ
Ｓ
ＴＭ
ＦＭ
Ｇ
（ａ） 正常运行 （ｂ） 频率下降 （ｃ） 重物下降 图１ 电动机的发电状态
图２ 再生制动的影响
从能量关系看，则： （１） 频率下降 拖动系统在转速下降的过程中，其动能将减 小。从高速转为低速时多余的动能将通过“发电机”
制动电阻中通入电流后是要发热的，所产生的
热量和 ＰＢ０ 成正比。因此，运行功率也是发热功率。 ２． 制动电阻的实选容量
实际工作中，制动电阻接入电路的时间并不
长，在此时间内，制动电阻的温升达不到其额定温
升。因此，没有必要按照运行功率来选择其容量。而
应该根据其具体工况来进行适当的修正
ＰＢ＝αＢＰＢ０ （７） 式中 ＰＢ——制动电阻的实选容量
制动电阻运行的占空比，取决于重力或重物的 向下分力的大小。一般说来
αＢ＝０．５～０．８ ４． 说明书的制动电阻值 变频器说明书中的制动电阻数据只是一个参考 数据。因为在提供制动电阻数据时，要受到两个因 素的制约： １） 负载的惯性大小和工况是千差万别的，实际上 不存在一个可用于各种情况的制动电阻值及其容量。 ２） 变频器生产厂为了减少制动电阻的档次，常 常对若干种不同容量的电动机提供相同阻值和容量 的制动电阻。例如，艾默生 ＴＤ３０００ 系列变频器说明 书中，对于配用电动机容量为 ２２ ｋＷ、３０ ｋＷ 和 ３７ ｋＷ 的变频器，所提供的制动电阻规格，都是 ３ ｋＷ、 ２０ Ω。因此，所提供的规格不可能对所有变频器都 是最佳的。
起重机械的重物下降过程，以及向下传输的带 式输送机、向下运行的自动扶梯等，都属于在相对 较长时间内，连续下行的运动，如图 ７ａ 所示。图７ｂ 是能耗电路，图 ７ｃ 是能耗电路的工况。
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图 ７ｃ 表明，当直流电压超过上限值（ＵＤ ＞ ＵＤＨ） 时，能耗电路开始放电。放电的结果是 ＵＤ 下降，当 ＵＤ 下降到 ＵＤＨ 以下时，能耗电路截止，放电停止。但 因为负载的下降运行还在继续，故 ＵＤ 又将上升。这 说明，即使在电动机连续处于再生制动状态下，制 动电阻也处于断续运行的状态。
ｔＣ
ｔ／ｓBiblioteka （ｂ） 发热曲线 图６ 反复加减速
由图知，制动电阻处于断续运行的状态，其发
热和散热的曲线如图６ｂ之曲线②和③所示。制动电 阻的最终温升与减速占空比有关
ｋＢ＝ｔＢ／ｔＣ （８） 式中 ｋＢ——减速占空比
１ ５００ ｒ／ｍｉｎ （５０ Ｈｚ） ６０ ｒ／ｍｉｎ （Δｎ）
Ｎ
１ ３５０ ｒ／ｍｉｎ （４５ Ｈｚ）
９０ ｒ／ｍｉｎ
（Δｎ） １ ４４０ ｒ／ｍｉｎ
Ｎ １ ５４０ ｒ／ｍｉｎ
１ ５００ ｒ／ｍｉｎ ４０ ｒ／ｍｉｎ （Δｎ）
向和原来相反了。从而，转子绕组中感应电动势和 感应电流的方向，以及所产生的电磁转矩的方向都 和原来相反了，电动机处于发电机状态，如图 １ｂ所 示。由于所产生的转矩和转子旋转的方向相反，能 够促使电动机的转速迅速地降下来，故也称为再生 制动转矩。
制动电阻中的放电电流也称为制动电流，制动 电阻的大小，将直接影响“发电机”电流（再生电流） 的大小，从而影响制动转矩的大小。
３． 怎样决定制动电阻的大小
要决定制动电阻的大小，首先要决定需要多大 的制动转矩。决定制动转矩的主要依据是拖动系统 的惯性大小。
图 ４ａ 所示的卷绕机械，惯性很小，当变频器的
输出频率下降时，因为被卷绕物的张力就构成了足 够大的制动转矩，电动机的转速能够跟上同步转速 的下降，反馈到直流回路的泵生电压不大，可以不 用制动电阻来放电了。而图 ４ｂ 所示负载，有一个惯
110 ｜ 电气时代·２００８ 年第 ４ 期
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转换成电能，并反馈到直流电路。
（２） 重物下降
重物从高位下降时，其位能在减少。从高位降
到低位时多余的位能也通过“发电机”转换成电能，
并反馈到直流电路。
总之，当电动机轴上的机械能减少时，多余的
性很大的飞轮，如果变频器的输出频率下降得较快， 电动机的转速将跟不上同步转速的下降，这就要求 有较大的电磁制动转矩，也就需要有足够大的制动 电流，才能使电动机的转速跟得上同步转速的下降。
薄膜 Ｆ
ｖ Ｄ１
λ λ
Ｍ
Ｍ
（ａ） 小惯性负载 （ｂ） 大惯性负载 图４ 生产机械的惯性
ｔＢ——减速时间，ｓ ｔＣ——加、减速的周期，ｓ 与此同时，制动电阻的发热还和每次制动时的 减速时间有关。因此，修正系数αＢ的大小难以简单 地进行描述。大体上说，则： 当减速占空比 ｋＢ ≤ ０．２ 时，取αＢ ＝ ０．２ 当减速占空比 ｋＢ ≥ ０．８ 时，取αＢ ＝ １ （３） 连续下降运动
散发掉，如图 ３ 所示。
ＵＤ
热能
Ｕ
ＤＨ
ＲＢ
②
Ｏ
ｔ
①
电源
ＵＤ ＢＶ
＋ Ｃ
电能 再生
Ｍ 状态
机Ｌ 械 能
图３ 制动电阻和制动单元
制动单元 ＢＶ 是用来控制能耗电路工作的，具 体地说，则：当直流电压 ＵＤ 超过上限值 ＵＤＨ 时，ＢＶ 导通，使电容器通过制动电阻 ＲＢ 放电；当直流电压 ＵＤ 降到限值以内时，ＢＶ 截止，停止放电。
αＢ——修正系数 ３． 制动电阻的工况与修正系数
（１） 不反复减速
有些负载，并不经常减速。或者说，每两次减
速过程之间，相隔的时间较长，如图 ５ａ 所示。
ｎ
θ
ｎ１
θＳ
① θＢ
ｎ２
②
Ｏ
ｔ Ｂ
ｔ
Ｏ
ｔＢ
ｔ／ｓ
（ａ） 制动电阻工况 （ｂ） 发热曲线 图５ 不反复减速
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张燕宾讲变频（三）
变频器制动电阻的选择误区
张燕宾 变频器资深专家
Ｎ １ ４４０ ｒ／ｍｉｎ
常 常有用户抱怨说：明明是按照变频器的 说明书选购的制动电阻和制动单元，为 什么会烧制动电阻？有的时候制动转矩 不足？是不是说明书有误？
要解决上述问题，必须理顺以下几个关系。
ｗｗｗ．ｅａｇｅ．ｃｏｍ．ｃｎ
２００８ 年第 ４ 期·电气时代 ｜ 111
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ＰＢ０＝ＵＤＨ２／ＲＢ （６） 式中 ＰＢ０——制动电阻的运行功率