起重机变频制动电阻器的四种匹配计算方法(.doc

起重机调速技术已有了较长的发展历史，从直流调速到交流调速，从AC定子调速技术到DC晶闸管调速装置，再发展到今天广泛应用的转子串电阻调速技术。但这些技术都存在着元件易损、维修不便、设备冲击大、调速范围小等许多缺点。进入20世纪90年代以来，变频调速技术的日臻成熟，以其调速范围大、结构简单、维修方便、减小噪音、节约电力等优点，开始在起重领域得到广泛应用。
在起重变频调速系统运行中，当停车或下降时，重物产生的位势负载使电机处于发电状态，能量向电源侧回馈，由于大多数变频器没有电能回馈装置，此时必须通过制动单元将这部分能量由制动电阻以热能的形式释放掉，所以制动单元和制动电阻在起重变频调速系统中起着非常重要的作用。本文重点介绍如何正确匹配计算制动电阻。
到目前为止，已经发现有多种版本的匹配计算方法出现，归纳大致如下；
方法一、制动电阻的阻值和功率计算
　　1.1刹车使用率ED%
　　制动使用率ED%,也就是台达说明书中的刹车使用率ED%。刹车使用率ED%定义为减速时间T1除以减速的周期T2,制动刹车使用率主要是为了能让制动单元和刹车电阻有充分的时间来散除因制动而产生的热量；当刹车电阻发热时，电阻值将会随温度的上升而变高，制动转矩亦随之减少。刹车使用率ED%=制动时间/刹车周期=T1/T2*100%。（图1）

　　图1刹车使用率ED%定义
　　现在用一个例子来说明制动使用率的概念：10％的制动频率可以这样理解，如果制动电阻在10秒钟能够消耗掉100％的功率，那么制动电阻至少需要90秒才能把产生的热量散掉。
　　1.2 制动单元动作电压准位
　　当直流母线电压大于等于制动电压准位（甄别阈值）时，刹车单元动作进行能量消耗。台达制动电压准位如表1所示。

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　　1.3 制动电阻设计
　　（1）工程设计。实践证明，当放电电流等于电动机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相同的制动转矩了，因此制动电阻的粗略计算是：

　　其中：
　　制动电压准位
　　电机的额定电流。
　　为了保证变频器不受损坏，强制限定当流过制动电阻的电流为额定电流时的电阻数值为制动电阻的最小数值。选择制动电阻的阻值时，不能小于该阻值。

　　根据以上所叙，制动电阻的阻值 的选择范围为：

　　制动电阻的耗用功率 当制动电阻 在直流电压为 的电路工作时，其消耗的功率为：

　　耗用功率的含义：如果电阻的功率按照此数值选择的话，该电阻可以长时间的接入在电路里工作。
　　现场中使用的电阻功率主要取决于刹车使用率ED%。因为系统的进行制动时间比较短，在短时间内，制动电阻的温升不足以达到稳定温升。因此，决定制动电阻容量的原则是，在制动电阻的温升不超过其允许数值（即额定温升）的前提下，应尽量减小容量，粗略算法如下：

　　（2）设计举例。根据以上的公式我们可以大致的推算出来我们需要的制动电阻的阻值和功率。以台达VFD075F43A变频器驱动7.5KW的电机作为例来说明，7.5KW电机额定电流是18A,输入电压AC460，则有：

　　因此制动电阻的阻值取值范围：

　　选择电阻阻值要选择市场上能够买到的型号和功率段为宜，选择阻值75欧。

　　根据实际的情况可以在计算的数值功率上适当的扩大。
方法二、制动单元与制动电阻的选配
A、首先估算出制动转矩变频器供应：15953103425
      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变频器供应：15953103425
      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变频器供应：15953103425
     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变频器供应：15953103425
      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%
E 。制动特点变频器供应：15953103425
       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。
制动力矩计算变频器供应：15953103425
     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%变频器供应：15953103425
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)变频器供应：15953103425
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变频器供应：15953103425
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）变频器供应：15953103425
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，单位为安培变频器供应：15953103425
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变频器供应：15953103425
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
方法三、起重变频器制动功率的简便计算
对于制动功率的计算通常是采用计算制动转矩的方法，但针对于起重变频器的制动功率的计算此方法不太适用且计算太复杂。国内外的变频器厂家也没有针对起重变频器制动功率给出方便的计算方法，如果仅依据其选型手册按一般停车工况进行选型，通常不能正常使用。如安川G7系列45KW变频器，如按手册选型最大选择制动单元为CDBR-4045B 1台，制动功率9.6KW,如果此变频器用于提升机构，制动功率就会差的太多而无法工作。ABB变频器制动单元选型手册也都是针对停车工况选型的计算，无法完成在起重领域应用时的选型。
对于起重变频器停车工况所需的制动功率容量较小，而重物下降时所需的制动功率容量较大，故选型时应满足最大下降重量、最大下降行程、最快下降速度的要求。
在起重机重荷下降时电动机作为发电机产生电能，而电动机的驱动是来自于重物的势能，根据能量守恒定律，产生的电能应等于重物势能的释放，又等于电阻的热能耗（在不考虑功率损耗）。所以只需计算重物势能产生的功率就是所需的制动功率。对于下降物体势能产生的功率很容易计算。

PE =  GM ╳ VM
PW =  PE ╳ （1-η）

PE         下降势能产生的功率    单位：瓦
PW        制动功率       单位：瓦
GM       最大下降重量   单位：牛
VM       最快下降速度   单位：米/秒
     η      电机和变频器的内耗功率系数，一般为20%
   计算出制动功率PW后再依据厂家提供的手册配置相应的制动单元和制动电阻，一定要严格按照手册数据配置制动单元，否则可能会因配置不当导致制动单元电流过大而烧坏。

变频器制动电阻设计计算方法四
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).