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MM440的動態(tài)制動
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一 引言
在電網(wǎng)-變頻器-電機-負載構(gòu)成的驅(qū)動系統(tǒng)中，能量的傳遞是雙向的。電動機工作模式時，電能從電網(wǎng)經(jīng)由變頻器傳遞到電機，轉(zhuǎn)換為機械能帶動負載，負載因此具有動能或勢能；當負載釋放這些能量以求改變運動狀態(tài)時，電機被負載所帶動，進入發(fā)電機工作模式，向前級反饋已轉(zhuǎn)換為電形式的能量，這些能量被稱為再生制動能量，可以通過變頻器返回電網(wǎng)，或者消耗在變頻器系統(tǒng)的制動電阻中。如圖1-1所示。
圖1-1 驅(qū)動系統(tǒng)的能量流向
較大制動能量的產(chǎn)生經(jīng)常出現(xiàn)在下面幾種場合里：
? 起重設(shè)備的重物下放過程
? 大慣量負載設(shè)備的快速減速過程
? 游梁式抽油機的驢頭下放過程等等。
西門子變頻器MM440由三部分構(gòu)成，整流部分，直流回路部分，逆變部分。當MM440作為驅(qū)動轉(zhuǎn)換源而處在上述的制動過程時，制動能量將通過其逆變部分返回到直流回路，由于整流部分由不可控的二極管組成，制動能量無法回到電網(wǎng)，造成直流回路電壓泵升，進而導(dǎo)致MM440因直流回路電壓過高（F0002）而停機。為避免上述情形的發(fā)生，MM440 提供了動態(tài)制動功能，即在直流回路上安裝一個制動單元，再配以適當?shù)闹苿与娮瑁瑢⒅苿幽芰吭谠撾娮枭弦詿崮艿男问较?。A-F尺寸的MM440已將制動單元集成在變頻器內(nèi)部，只需選配制動電阻，安裝在MM440端子B+ B- 上，然后調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)即可，而功率相對較大的FX、GX尺寸MM440內(nèi)部沒有集成制動單元，需要從SIMOVERT MASTERDRIVES的產(chǎn)品目錄里選配相應(yīng)的制動單元以及制動電阻。
本章將介紹制動能量的簡單計算以及MM440制動單元的基本工作原理，幫助您實現(xiàn)西門子MM440變頻器制動電阻的正確選型。
二 制動能量的簡單計算
? 制動能量的產(chǎn)生
根據(jù)電機理論, 定子中通入同步頻率 ?1的交流電流, 在氣隙中產(chǎn)生順時針旋轉(zhuǎn)磁場作用在轉(zhuǎn)子上，相當于轉(zhuǎn)子繞組逆時針運動切割旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子回路因而感應(yīng)出電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩M，方向如圖2-1中a所示。經(jīng)過負載的平衡，轉(zhuǎn)子以 (1-s) ?1的速度穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子繞組仍然逆時針以s?1的速度切割旋轉(zhuǎn)磁場。電機工作在電動機模式下, P = M?Ω>0, 即運行在第一象限。
在需要變頻器快速制動負載的情況下，變頻器通入電機定子中的電流頻率突降為?1′ （?1′ <?1), 由于驅(qū)動負載存在慣性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不能突降，而是仍然維持在原轉(zhuǎn)速上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向改變，轉(zhuǎn)子電流方向以及電磁力矩方向也因此發(fā)生改變，如圖2-1中b所示，電機工作在發(fā)電機模式下, 開始運行在第二象限，P=(-M)?Ω<0, 再生制動能量產(chǎn)生。 如果電機被負載拖動，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過變頻器輸入的同步轉(zhuǎn)速，同樣會有上述的現(xiàn)象發(fā)生。
a) 正向運行時 b) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時
c) 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向改變時 d) 電機四象限圖
圖2-1 制動能量產(chǎn)生時的電機狀態(tài)
在驅(qū)動系統(tǒng)下放重物的過程中，轉(zhuǎn)子繞組仍然保持逆時針運動切割旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子電流以及旋轉(zhuǎn)力矩方向不變，但是由于切割速度過快，轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的祛磁磁場將能量返回了定子側(cè)，電機工作在發(fā)電機模式下, 開始運行在第四象限，如圖2-1中 c 所示，P=M?（-Ω）<0, 再生制動能量產(chǎn)生。
? 制動能量的簡單計算
例1 某客戶將MM440 應(yīng)用在升降驅(qū)動設(shè)備上，并要求在6.25秒內(nèi)以0.4m/s的速度下 放500kg的重物,每30s重復(fù)一次該過程，應(yīng)當如何計算制動功率？
重物的勢能為： A= m x g x h =500kg x 9.81 x (0.4m/s x 6.25s)=12263J
最大 功率為： P brake Appl max = A/s = 12263J/6.25s = 1962W
平均 功率為： P brake Appl average = 1962W x 6.25s / 30s= 392.4W
例2 某驅(qū)動負載需要從2900RPM的速度降至為0，其驅(qū)動數(shù)據(jù)見表1，如何計算反饋回變頻器直流側(cè)的制動能量？
電動機額定功率 Pmotor N=5.5 KW
電動機效率 ?motor =0.865
電動機額定轉(zhuǎn)速 N motor N= 2925 RPM
電動機轉(zhuǎn)動慣量 J motor =0.015kgm2
負載轉(zhuǎn)動慣量 J load =0.4 kgm2
電動機最高運行轉(zhuǎn)速 nmax =2900RPM
制動時間 t brake appl =5s
負載工作周期 t cycle appl =15s
產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩：
一個周期內(nèi)產(chǎn)生的最大制動功率：
一個周期內(nèi)的總制動能量：
一個周期內(nèi)的平均制動功率：
三 MM440 制動單元的基本工作原理
? 制動單元激活電壓與直流回路故障電壓
按照上述的計算方法得出的再生制動能量將反饋到變頻器的內(nèi)部，造成直流回路上電壓泵升。為了避免變頻器因直流回路過電壓F0002而跳閘，當電壓上升到臨界點 UDC chopper 時，制動單元就被激活，并按照預(yù)先規(guī)定的負載工作周期將制動能量消耗在外接制動電阻上，拉動直流回路電壓下降。如果制動能量過大，未能在規(guī)定時間內(nèi)得到散逸，那么直流回路電壓將繼續(xù)上升，直到F0002跳閘。如圖3-1所示。
圖3-1直流回路電壓的上升過程
制動單元觸發(fā)臨界電壓 UDC chopper有兩種算法，采用哪一種，則取決于MM440 參數(shù)P1254 若P1254=0 1.13 x x P0210
若P1254=1 0.98 x r1242
表3-1 激活動態(tài)制動功能的直流回路電壓值
? 制動單元動作過程
MM440變頻器制動單元的核心是一個門限電壓控制斬波器（IGBT transistor），當它導(dǎo)通時再生制動能量被外接制動電阻吸收，轉(zhuǎn)化成熱能得以釋放。斬波器的工作頻率 f chopper為2KHz，占控比 t chopper on 由變頻器內(nèi)部的監(jiān)控系統(tǒng)決定。如圖3-2所示。
圖3-2 動態(tài)制動的操作方式
當再生制動能量迫使直流回路電壓達到UDC chopper時，制動單元自動投入運行，由監(jiān)控系統(tǒng)為斬波器選擇適當?shù)恼伎乇?，制動能量被制動電阻吸收?
? 如果制動能量少于在制動電阻上消耗的能量( P brake resistor=VDC2 / Rmin) ，那么直流回路電壓會很快下降到UDC chopper之下，制動單元會在開通2ms之后自動關(guān)閉，占控比的選擇在通路1上完成。 若直流回路電壓再次達到UDC chopper，該過程將被重復(fù)。
? 如果制動能量多于此時在制動電阻上消耗的能量，那么盡管制動自動已經(jīng)投入運行，直流回路電壓仍然會繼續(xù)上升，由監(jiān)控系統(tǒng)選擇的占控比也快速線性增加，直到占控比為1（通道1），斬波器持續(xù)開通，制動電阻在此其間持續(xù)吸收制動能量。為了保護此時的制動電阻不會因吸收了過多能量而過熱損壞，必須事先根據(jù)制動電阻的制動能力選擇適當?shù)某掷m(xù)工作時限 t chopper on。當持續(xù)工作時限達到時，切換到通道2，占控比自動被修正為P1237中設(shè)定的值以減少制動能量進入制動電阻，令其有充分的時間冷卻，此時直流回路電壓將有所回升。其過程如圖3-3所示?？梢姡绻娮柚颠x擇的太小，或者P1237 的值選擇不當，會造成制動能量因吸收不凈而導(dǎo)致的直流回路電壓繼續(xù)上升，而制動電阻會因過熱而損壞。