西門子V90變頻器代理

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在電網-變頻器-電機-負載構成的驅動系統中，能量的傳遞是雙向的。電動機工作模式時，電能從電網經由變頻器傳遞到電機，轉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時，電機被負載所帶動，進入發電機工作模式，向前級反饋已轉換為電形式的能量，這些能量被稱為再生制動能量，可以通過變頻器返回電網，或者消耗在變頻器系統的制動電阻中。如圖1-1所示。

圖1-1 驅動系統的能量流向

較大制動能量的產生經常出現在下面幾種場合里：

? 起重設備的重物下放過程
? 大慣量負載設備的快速減速過程
? 游梁式抽油機的驢頭下放過程等等。

西門子變頻器MM440由三部分構成，整流部分，直流回路部分，逆變部分。當MM440作為驅動轉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，造成直流回路電壓泵升，進而導致MM440因直流回路電壓過高（F0002）而停機。為避免上述情形的發生，MM440 提供了動態制動功能，即在直流回路上安裝一個制動單元，再配以適當的制動電阻，將制動能量在該電阻上以熱能的形式消散。A-F尺寸的MM440已將制動單元集成在變頻器內部，只需選配制動電阻，安裝在MM440端子B+ B- 上，然后調整相應的參數即可，而功率相對較大的FX、GX尺寸MM440內部沒有集成制動單元，需要從SIMOVERT MASTERDRIVES的產品目錄里選配相應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

? 制動能量的產生

根據電機理論, 定子中通入同步頻率 ?1的交流電流, 在氣隙中產生順時針旋轉磁場作用在轉子上，相當于轉子繞組逆時針運動切割旋轉磁場，轉子回路因而感應出電流產生旋轉力矩M，方向如圖2-1中a所示。經過負載的平衡，轉子以 (1-s) ?1的速度穩定旋轉，轉子繞組仍然逆時針以s?1的速度切割旋轉磁場。電機工作在電動機模式下, P = M?Ω>0, 即運行在*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), 由于驅動負載存在慣性，轉子的轉速不能突降，而是仍然維持在原轉速上，導致轉子繞組切割旋轉磁場的方向改變，轉子電流方向以及電磁力矩方向也因此發生改變，如圖2-1中b所示，電機工作在發電機模式下, 開始運行在第二象限，P=(-M)?Ω<0, 再生制動能量產生。 如果電機被負載拖動，轉子轉速超過變頻器輸入的同步轉速，同樣會有上述的現象發生。

a) 正向運行時                                                     b) 轉子轉速大于同步轉速時

c) 轉子旋轉方向改變時                                     d) 電機四象限圖

圖2-1 制動能量產生時的電機狀態

在驅動系統下放重物的過程中，轉子繞組仍然保持逆時針運動切割旋轉磁場，轉子電流以及旋轉力矩方向不變，但是由于切割速度過快，轉子電流產生的祛磁磁場將能量返回了定子側，電機工作在發電機模式下, 開始運行在第四象限，如圖2-1中 c 所示，P=M?（-Ω）<0, 再生制動能量產生。

? 制動能量的簡單計算

例1 某客戶將MM440 應用在升降驅動設備上，并要求在6.25秒內以0.4m/s的速度下 放500kg的重物,每30s重復一次該過程，應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
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 某驅動負載需要從2900RPM的速度降至為0，其驅動數據見表1，如何計算反饋回變頻器直流側的制動能量？

電動機額定功率                 Pmotor N=5.5 KW
電動機效率                         ?motor =0.865
電動機額定轉速                 N motor N= 2925 RPM
電動機轉動慣量                 J motor =0.015kgm2
負載轉動慣量                     J load =0.4 kgm2
電動機高運行轉速         nmax =2900RPM
制動時間                             t brake appl =5s
負載工作周期                     t cycle appl =15s

產生的制動轉矩：

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一個周期內產生的大制動功率：

一個周期內的總制動能量：

一個周期內的平均制動功率：

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，并按照預先規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，未能在規定時間內得到散逸，那么直流回路電壓將繼續上升，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

制動單元觸發臨界電壓 UDC chopper有兩種算法，采用哪一種，則取決于MM440 參數P1254	若P1254=0	1.13 x  x  P0210
	若P1254=1	0.98 x  r1242

表3-1 激活動態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），當它導通時再生制動能量被外接制動電阻吸收，轉化成熱能得以釋放。斬波器的工作頻率 f chopper為2KHz，占控比 t chopper on 由變頻器內部的監控系統決定。如圖3-2所示。

圖3-2 動態制動的操作方式

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，由監控系統為斬波器選擇適當的占控比，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。

? 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投入運行，直流回路電壓仍然會繼續上升，由監控系統選擇的占控比也快速線性增加，直到占控比為1（通道1），斬波器持續開通，制動電阻在此其間持續吸收制動能量。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，必須事先根據制動電阻的制動能力選擇適當的持續工作時限 t chopper on。當持續工作時限達到時，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致的直流回路電壓繼續上升，而制動電阻會因過熱而損壞。

MM440制動單元的斬波器為通道2規定了5種占控比，即負載工作周期，由參數P1237 來選擇 。列表3-2如下。

表3-2 MM440的負載工作周期

四 制動電阻的計算以及選型

? 西門子制動電阻的說明

西門子MICROMASTER 變頻器產品樣本DA51.2 中列出的制動電阻只是按照P1237=1即5%的工作負載周期來進行設計的。例如： 訂貨號為6SE6400-4BC05-0AA0的制動電阻，小阻值為180?，可以承受大直流回路電壓為420V ，因此該制動電阻可在12秒內連續開通，吸收 Pbrake resistor max = U dc max 2 /R min =980W的大制動功率。12秒后，僅能承擔5%的大制動功率，即約50W 的連續導通功率，直到240秒后制動電阻得到充分的冷卻，方可再次承擔12秒的大制動功率。

? 制動電阻的選擇與校驗

為MM440變頻器配置制動電阻，需要滿足二個條件：

1) 制動電阻大功率 P brake resistor max >= 大制動功率P brake Appl max

2) 負載工作周期內的制動電阻連續功率 P brake resistor average >=
制動周期內的平均制動功率 P brake Appl average

下面舉例說明如何選擇制動電阻, 請回顧第二節中的例2，為5.5KW 、3~380-480V的MM440配置制動電阻，按照樣本DA51.2初選6SE6400-4BD16-5CA0

一個制動周期內產生的大制動功率： P brake Appl max = 6.6kW
制動電阻可以承受的大制動功率： P brake resistor max =12.6 kW

P brake Appl max < P brake resistor max *個條件滿足

一個制動周期內的平均制動功率： P brake Appl average =1.1kW
負載工作周期內的制動電阻連續功率： P brake resistor average = 0.65 kW

P brake Appl average > P brake resistor average第二個條件不滿足

表明該制動電阻沒有足夠的容量接受1.1kW的制動能量。在此，可以提出兩個解決方案：

1）采用四個該型號電阻，兩并兩串地接入，見圖3-4?？偟闹苿幼柚挡⑽锤淖?，因而能夠承受的大制動功率 P brake max = U dc max 2 /R min 也未改變。 但是負載工作周期內的制動電阻連續功率卻提高了4倍，
P brake resistor average = 0.65kW × 4 = 2.6kW。此時P1237 必須放開限制，設置為3，即負載工作周期為20%。

圖3-4 制動電阻的接入方法

3) 選擇其他型號大容量的制動電阻，例如采用MASTERDRIVES 產品系列中訂貨號為6SE7018-0ES87-2DC0的制動電阻，其阻值為80?， 因此能夠承受的大制動功率P brake max =U dc max 2 /R min =8.82kW，

P brake Appl max < P brake resistor max *個條件滿足

因為MASTERDRIVES 產品系列的制動電阻均是按照20%的負載工作周期制定的，因此需要將P1237設置3，P brake resistor average =8.82kW×0.2=1.764kW

P brake Appl average < P brake resistor average第二個條件滿足

? FX-GX 制動單元與制動電阻選擇

在MICROMASTER DRIVES系列中，僅在外形尺寸為A-F的MM440里集成了制動單元，只需再選擇一個適當的外接制動電阻即可。外形尺寸為FX 、GX的MM440因為功率相對較大，不再在內部集成制動單元，而是需要采用MASTERDRIVES系列中的外接制動單元以及制動電阻。其選擇方法參見MASTERDRIVES產品樣本。

? MM440 中相關動態制動的必要參數設置

P1233=0             禁止直流制動
P1234=0             禁止復合制動
P1240=0             禁止直流電壓控制器功能
P1254=0或1       選擇 UDC chopper的計算方法
P1237>0             使能動態制動功能

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