制动单元和制动电阻在棒材辅传动系统中的应用

薄宝佳

摘要：本文介绍了CDBR系列制动单元在宁夏申银特钢棒材生产线辅传动系统中的应用，以及制动单元和制动电阻的选型、功率计算方法。

关键词：CDBR；安萨尔多；制动单元；制动电阻；辅传动

一、引言

在宁夏申银特钢股份有限公司棒材生产线辅传动系统由意大利安萨尔多GT3000系列变频器组成，该辅传动系统中配套使用了安川CDBR系列制动单元，用以保证传动系统制动过程的稳定性。CDBR系列制动单元采用高性能的IGBT作为开关器件，在其制动系统中电压可以自动跟踪，所以制动电阻只需满足功率要求即可。

本论文结合棒材生产线辅传动系统分析变频器制动过程中对整个传动系统产生的影响，以及制动系统中采用制动单元与制动电阻的优点。从而达到对制动单元工作原理的理解，制动电阻选型方法的掌握。

二、变频器制动过程分析

在变频调速系统中电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的。变频器频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速小于转子转速是，转子电流的相位改变了近180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路，由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，紧靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此对于负载处于发电制动状态中必须采用必须的措施处理这部分再生能量。

处理再生能量的方法有两种：一是能耗制动，二是回馈制动。能耗制动是利用制动单元和制动电阻将变频器制定过程中产生的再生能量转化为热量进行消耗，回馈制动是利用能量回馈装置将变频器制动过程中产生的再生能量返回到母线中。

三、制动单元与制动电阻的工作原理及选型介绍

3.1制动单元

制动单元是当直流回路的电压超过规定的限值时接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式二种，前者是适用于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。制动单元包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路等三个部分。

制动单元的选型是以其额定电流和峰值电流为依据的，要保证制动单元正常工作，必须保证流过制动单元的最大电流小于其峰值电流，且最大电流与制动频率的乘积小于其额定电流。

3.2制动电阻

制动电阻用于将电机制动过程中产生的再生能量以热能方式消耗，主要的参数是电阻阻值、功率。在工程中选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种。

制动电阻功率计算需要考虑三个因素：一是制动性质，二是负载功率，三是制动电阻功率。对于一般负载，负载功率与制动电阻的功率之间的关系为：负载功率=制动电阻功率×10%。对于频繁制动的系统，负载功率与制动电阻的功率之间的关系为：负载功率=制动电阻功率×15%。对于长时间制动的系统，负载功率与制动电阻的功率之间的关系为：负载功率=制动电阻功率×20%。

在制动电阻的选型过程中注意：制动电阻阻值越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大；制动电阻的最大电流需要小于制动单元工作的电流；制动时间可以在制动单元和变频器中进行设定，需要考虑实际状况；在快速制动过程中出现过电压时，说制动电阻阻值过大，来不及消耗电能，需要减小制动电阻阻值。

四、制动单元与制动电阻的匹配性分析

在能耗制动方式中，制动单元与制动电阻需要满足匹配关系才能达到良好的制动效果，并且对母线电压、变频器工况不产生不良影响。下面将两者选配过程进行介绍：

1）计算电机制动过程中的制动转矩，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%，因此如果计算得到的制动转就小于此范围的话就无需外接制动装置。制动转矩计算过程如下：

制动转矩=（电机转动惯量+电机负载侧这段到电机侧的转动惯量）×（制动前速度-制动后速度）&pide;375×减速时间-负载转矩。

在棒材辅传动系统中的辊道电机的制动过程产生的制动转矩小于电机内部的电能损耗，所以在辊道电机的传动系统中未采用外接制动装置；而冷床齿条电机的制动过程中产生的制动转矩大于电机内部的电能损耗，所以在齿条电机的传动系统中就外接了制动装置。

2）计算制动电阻的阻值，制动电阻阻值计算过程如下：

制动电阻阻值=制动单元动作电压值的平方&pide;（0.1047×（制动转矩-电机额定转矩×20%）×制动前电机转速）

3）进行制动单元选择，制动单元工作的最大电流是制动单元选择的唯一依据，其计算公式如下：

制动电流瞬时值=制动单元母线电压值&pide;制动电阻

4）极端制动电阻的标称功率。由于制动电阻为短时工作制，根据电阻的特性和技术指标得知制动电阻的标称功率小于通电时的消耗功率，制动电阻标称功率计算如下：

制动电阻标称功率=制动电阻降额系数×制动期间平均消耗功率×制动使用率。

五、制动单元与制动电阻的功效分析

5.1保护变频器不受再生能量的危害

在棒材辅传动系统中的冷床齿条电机等大功率装置快速停车制动过程中，由于惯性作用会产生大量的再生电能，如不及时消耗这部分再生能量，大量的再生能量将直接作用于变频器的直流电路部分。轻者，变频器会报故障；重者，变频器将损坏。

5.2保证电源网络的平稳运行

能耗制动系统将辅传动系统的大功率装置快速制动过程中产生的再生能源通过转化为热能的方式消耗掉，再生能源不会反馈到直流母线中，不会造成电网电压的波动，从而起到保护电网电压平稳运行的作用。

六、总结

在宁夏申银特钢棒材辅传动系统中采用的能耗制动的方式消耗冷床齿条电机等大功率装置在制动过程中产生的再生能量，从保护传动装置和电网电压两个方面取得了良好的工作效果。在制动单元与制动电阻的选型中主要考虑了辅传动系统中的负载功率和安萨尔多系列变频器的工作特性，这也是制动单元与制动电阻选型中主要考虑的因素。在棒材辅传动系统中通过采用能耗制动方式为设备的稳定和生产的效率提供了可靠的保证，这种能耗制动方式也适用于其他需要快速停车制动的工业系统中。

参考文献

[1]陈伯时《电力拖动自动控制系统第3版》出版社:机械工业出版社.

[2]GT3000硬件和软件手册.

[3]安川CDBR系列制动单元用户手册.