五、制动电阻与制动单元
五、制动电阻与制动单元
这几天，小孙对厂里的几乎所有变频器都专门观察了减速和制动的情况，有的进行了调整，但也遇到了不少问题。
过了几天，小孙又到张老师家后，提出的第一个问题是：
“如果生产机械要求快速制动，怎么办？这里好像不能用加大容量的办法。因为在电压等级相同的情况下，不管容量多大，直流电压的上限值都是一样的。”
制动电阻与制动单元的作用
“基本途径是把电容器上多余的电荷释放掉。”张老师回答说，“这就需要接入制动电阻和制动单元了，如图3－28所示。从能量的观点说，是把电容器上多余的电能，通过制动电阻转换成热能消耗掉。制动单元是用来控制放电的：当直流电压超过上限值时，制动单元bv导通，电容器放电；当直流电压低于上限值时，制动单元bv截止，电容器停止放电。”
“制动电阻的大小和电动机的制动转矩有关么？”小孙问，这也是他这几天来一直没有想明白的问题。
“当然有啊，任何发电机的负载电流增加时，制动转矩都要增大的。这里的制动电阻就是异步发电机的负载么。不过，与直流发电机和同步发电机比较起来，不大直观而已。
制动电阻的电阻值
要选择制动电阻的大小，首先要了解制动电阻的大小对制动转矩的影响。这里有两个要点：
（1）发电机的制动转矩也是电磁转矩，也和电流与磁通的乘积成正比。在磁通一定的情况下，就和电流成正比。
（2）任何发电机的电流大小都取决于负载（电的负载）。在图3－30中，制动电阻就是异步发电机的负载，制动电流ib就是发电状态下的负载电流。
所以，制动电阻的大小，将直接影响制动转矩的大小。
那么，究竟需要多大的制动转矩tb，才比较合适呢？”张老师侧过头来，问小孙。
“让我想想看。”小孙低下头沉思了一会儿，然后说：
“首先，这一定和拖动系统的惯性大小，就是飞轮力矩（gd2）有关。gd2越大，需要的制动转矩也越大。
其次，这还和拖动系统对减速时间的要求有关。要求的减速时间越短，需要的制动转矩越大。
此外，还和拖动系统本身的阻转矩有关。如果拖动系统本身的阻转矩挺大的话，附加的制动转矩就可以小一点。
好像就这些了。”小孙抬起头来，瞧着张老师。
“不错。”张老师点点头，然后说：“如果写成公式，则是：
（3－4）式中，tb—停机时需要的制动转矩，n2m；
kj—比例系数；
在应用式（3－4）时，一个比较困难的问题，是难以测定飞轮力矩σgd2。不过，在实际工作中，制动转矩是没有必要计算得十分准确的。在实际应用中，一般认为，让制动转矩的大小在电动机额定转矩的基础上适当进行调整就可以了：
“要是制动电流估计大了或估计小了，会产生什么结果？”小孙问。
“只要能够满足所要求的减速时间，制动电流稍为大一点或小一点，对制动过程而言，差别不大，无非是制动电流偏大时，制动转矩也大一点，如图3－31所示。图（a）是制动电流偏大的制动过程；图（b）是制动电流较小的制动过程。”
“知道了制动电流，制动电阻就好求了。”小孙踊跃地说，并且立即在一张纸上写了起来：
式中，ud—直流电压，v。
“你这个直流电压的值ud是多大呀？”张老师笑嘻嘻地问。
“这??，电源电压是380v，它的峰值电压是537v，就用537v？”小孙挠起头皮来了，没想到这里还有一个“坎”呢。
“如果那样的话，制动电阻就要长时间接在电路里了，这可是不大节约呢。”张老师说，“事实上，你只要在ud的后面再加一个小下标‘h’就可以了：
（3－7）式中，udh—直流电压的上限值，v。
就是说，允许直流电压可以稍为升高一点。至于上限值的大小么，多数变频器取700v，有的高达800v，国产变频器也有用650v的。”
“要是把式（3－5）和式（3－6）代入式（3－7），就可以直接算出制动电阻了。”小孙说着，就在纸上写了起来：
（3－8）或（3－9）
“很好，那么，制动电阻的容量呢？”张老师问。
制动电阻的容量
“啊呀，差点儿忘了，这正是我打算来问您的呢。我们厂里有几台变频器的制动电阻烫得厉害，有的甚至烧红了呢。”小孙说着，翻开笔记本找了起来，接着说：
“这里有一台，是37kw的，电动机的额定电流是69.8a。按说明书配用的制动电阻是20ω、3kw的，它就烫得厉害。我来按照方才的公式核算一下：
代入式（3－8）：
要是代入式（4－9），则：
制动电阻值是符合的。它在接入电路时消耗的功率是：
啊呀，它的制动电阻的容量太小了！怎么会小这么多呢？”小孙瞧着张老师，不禁惊呼起来。
“这就需要从制动电阻的工况说起了。”张老师说着，开始在纸上画了起来。并且说：“为了便于说明问题，先拿你们厂里的输煤机来作例子，如图3－32（a）所示。当直流电压超过udh1时，制动单元bv导通（on），电容器通过制动电阻放电；当直流电压低于udh2时，制动单元bv截止（off），电容器停止放电。udh1和udh2之间有一个‘回差’，是为了防止bv动作过于频繁而设的，如图（b）所示。输煤机的工作特点是，从你们上班时开机，到下班时停机，中间是很
小孙在笔记本上找了找，说：“加速时间和减速时间都是10s。”张老师接着说：
“从图（b）看，真正通过制动电阻放电的时间只有6s左右吧。有时候，偶尔也调节一下转速，例如，从50hz下降到40hz，所需的减速时间是几秒呢？”
小孙是个十分机灵的小伙子，一听张老师提出了问题，就立即在纸上算了起来：
x＝2s
“瞧，制动电阻真正通电的时间只有1s多一点。可见，制动电阻属于‘短时工作制’，通电的时间很短，在通电时间内，温度上升得不多，而休息的时间却很长，在休息期间，温升足以降到0℃。所以，如果这台电动机也是37kw的话，它有没有必要选24.5kw的电阻呢？”
小孙问：“可是，应该怎么选呢？”
“你算出来的24.5kw，叫做‘运行功率’，就是当它接入电路时消耗的功率。你们配用的制动电阻的功率（3kw）可以叫‘实选功率’两者之间的关系是：
对于类似输煤机那样，加、减速不频繁的机器来说，取α＝0.12（或kc＝0.08）是适宜的。作为变频器的生产厂家来说，它不可能生产修正系数各不相同的许多种规格的制动电阻。所以，变频器说明书上的制动电阻的容量，其范围通常是：
图3－33 龙门刨床中制动电阻的工况
α＝0.12～0.3
或 kc＝0.08～0.2
但是，如果生产机械需要频繁地加、减速呢？
例如，龙门刨床的刨台，在一个切削周期中，就有：低速切入工件、正常切削、（降速）低速退出工件、（降速至0后）高速返回、（降速）低速换向、（降速至0后）转换为下一周期的正向切削，如图3－33（a）所示。可见，在一个周期内，降速次数就达4次之多，而每个切削周期只有几秒钟，要切削完一个工件，需要数十个乃至上百个周期。可见，制动电阻的工况如图（b）所示，它通电的次数是十分频繁的，对于这类负载，取α＝0.12（或kc＝0.08）显然是太小了，但它属于断续运行，而不是连续运行，所以，也没有必要按照运行功率（pb0＝24.5kw）来选，而应该选（α＝0.45～0.75或kc＝0.3～0.5）。你们厂里那台制动电阻冒烟的机器，加、减速很可能也是比较频繁的。”
“是的，那台机器也是循环地往复运行的。看来，回去要加大制动电阻的容量才行。”小孙回答说。接着又问：“可是，α的上限值为什么是0.9而不是1.0呢？例如，像商场里的下行扶梯，电动机在绝大多数时间内都处于再生制动状态呀。”
“好吧，就让我们来看看下行扶梯的情况吧。为了方便起见，仍假设用37kw、70a的电动机，制动电阻也仍为rb＝20ω。扶梯下行时，因为有重力加速度的原因，电动机转子的转速很可能长时间超过同步转速而处于再生制动状态。在这种情况下，制动电阻的工况如何呢？
当直流电压ud高于上限值udh1时，制动单元vb导通，滤波电容器上的电荷通过制动电阻放电，放电的速度将超过充电的速度，故直流电压下降。当直流电压ud低于回差电压udh2时，制动单元vb截止，滤波电容器停止放电。由于再生制动过程还在继续，直流电压又将上升，上述过程将重复进行。
因此，即使如图3－34（a）所示的下行扶梯那样，电动机长时间处于再生制动状态的情况下，制动电阻也并不是连续工作的，而是如图（b）所示，处于断续工作状态。当然，这时候的修正系数应该取上限值。
所以，当使用制动电阻和制动单元时，一定要注意：不要随便套用说明书上的规格，而应该根据生产机械的实际情况进行必要的修正。”
“回去后，我将一台一台地进行核对。”小孙说罢，就告辞了。
一天下午，小孙要求紧急求见，他在电话里简略介绍了情况之后，就匆匆忙忙地赶到张老师家去了。一进门，就气喘吁吁地说：“今天真是见鬼了，两台机器同时出问题：一台烧了制动电阻，另一台烧了制动单元。本地居然没有哪一家有制动电阻和制动单元出售，厂长又急得直跳脚。要我找您想想办法。”
“两台电动机和变频器的规格如何？”张老师问。
“一台就是上次说的37kw的，变频器也是37kw的。上次回去，我就提出要加大制动电阻的容量，车间主任看了看，说‘不就是发烫么，还可以用一阵么。’所以就没有加大容量，没想到，这么快就坏了。另一台是11kw、22.6a的提升机，变频器是15kw、30a的，它的制动单元坏了。”
“并不是所有的外接件都有办法采取应急措施的，但巧的是，偏偏这两样东西我还能够解决。”张老师笑着说，因为事先在电话里已经知道了问题所在，所以，张老师已经准备了几张图。他先拿出了图3－35，说：
“先说制动电阻吧，你可以到市场上买几根电热管，就是电炊壶、电饭煲或热水器用的电热管。首先，必须是每3根为一组。为什么呢？因为电热管的额定电压只有220v，而我们的直流电压的上限值要高达700v呢。其次是进行计算：第一步，先算每根电热管的电阻，然后算应该并联几组，买多少根。你会不会算？”
“试试看吧。”小孙说着，就开始计算起来：
（1）每根电热管的电阻
现在市场上比较多的是2kw、220v的电热管，每根的电阻是：
“是取n＝3好呢，还是取n＝4好？”小孙抬起头来问。
“这就要根据那台机器的惯性大小来决定了：惯性大的，制动电阻值应小一些，取n＝4；反之，惯性小的，制动电阻值可以大一些，取n＝3。”张老师回答。
“我先定n＝3吧，”小孙说，“要是不够，再增加。9根电热管的合成电阻是：
比20ω略大一点。”
“你算出来的是电热管的热态电阻值，冷态电阻值要略小一些，应该是正好合适。”张老师补充说。
“再看看功率，9根电热管的总功率是：
pbσ＝9p0＝9x2＝18kw
啊，功率倒是足够大的。”小孙高兴地说。
制动单元及应急措施图
“再说那个制动单元吧，首先要了解一下制动单元的大致框图。”张老师一边说，一边找出了3－36，然后指着图说：
“ua是与直流上限电压udh成正比的基准电压，us是与实际的直流电压ud成正比的采样电压。当直流电压超过上限值时：
经比较器比较后，c点为低电位，控制驱动电路输出负电压（uce为负），igbt管vb截止，停止放电。
当制动单元损坏后，应急措施需要解决两件事情：
第一件事情，是用什么来代替igbt管vb？在手头没有igbt管的情况下，可以用一个交流接触器，把3对触点串联起来代替，如图3－37所示。”
“为什么要串联起来呢？”小孙问。
“这有两个方面的原因：
（1）从耐压考虑
用于380v电路里的交流接触器主触点的耐压，通常是500v，而我们的直流回路的电压可以高达700v，所以必须3对触点串联。
（2）从灭弧考虑
交流接触器和直流接触器的一个重要区别，就是灭弧系统很不一样，交流接触器的灭弧功能要差得多，用三对触点串联，三个地方同时断开，有利于灭弧。实践证明，如果每对触点都并联一个电容器的话，火花会减轻很多。”
“什么时候接通接触器的线圈呢？”小孙又问。
“这就是我要说的第二件事情。这里有两种情况：
（1）位能负载下行
所谓位能负载，就是如起重机械、下行扶梯等凡是有重力加速度起作用的负载，都是位能负载。对于这类负载，只要在下行时使接触器线圈得电即可。
（2）非位能负载
对于一般负载，则因为再生制动状态发生在频率下降之时，所以，每次减速时使接触器线圈得电即可。”
“太好了！这就回去解决。不过，要是能把消耗在制动电阻上的能量利用起来就好了。”小孙若有所思地说。
“可以啊，”张老师回音说。“真的？”小孙瞪大了眼睛，天真地望着张老师。
“有两种办法，”张老师找出了一张图3－38，然后说：“第一种办法，如果在一台机器上有多台变频器的话，可以把它们的直流母线都并联起来，如图所示。因为这多台电动机不大可能同时加速、同时减速的。所以，处于减速状态的电动机发出来的电，正好供给正常运行或处于加速状态的电动机。一般说来，不再需要制动电阻和制动单元了。即使要，所需制动电流也是较小的。”
“这种方法我回去可以试一试。”小孙说，接着又问：“还有一种方法呢？”
“还有一种方法是，不用制动电阻和制动单元，而是用回馈单元。”张老师又拿出了图3－39，然后说：
“所谓回馈单元，就是能够把多余的直流电又逆变成交流电，再反馈给电网，如图3－39所示。图中，rg就是回馈单元，它的输入端与变频器的直流电路相接，输出端与电网相接。当直流电压超过上限值时，rg就开始工作，把变频器多余的直流电回馈给电网。在这种情况下，直流电压的上限值可以定得低一些。
其实，回馈单元早就有了，但原来价格很贵，所以用得很少。现在，价格已经降了很多，大概只相当于制动电阻和制动单元相加后的价格了。所以，你以后如果有需要配制动电阻和制动单元的场合，可以改配回馈单元。”
“太好了，我正有一台想配呢。”小孙说罢，就高高兴兴地告辞了。
过了几天，张老师又接到小孙的电话，问：“厂里有一台机器，原来停机时有一个电磁制动器把传动轴抱住的。现在电磁制动器坏了，每次停机时，机器就停不住，影响加工精度。变频器能否使机器停住？”
“这要看情况，不能一概而论，你晚上过来吧。”张老师说。
联系客服
