起重变频调速系统中制动电阻功率的计算

1、 引言 
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选型制动单元和制动电阻。 

2、变频器能耗制动工作原理 
在同一个电力拖动系统中,当电机转速高于变频器输出频率所对应的同步转速时,处于发电状态的电动机及负载的惯性能量将反馈到变频器中(这种情况一般发生在电机被拖着走的时候,如起重机重物下降)。但通用变频器大多没有设计使再生能量反馈到三相电源的功能，因此所有变频器从电机吸收的能量都会保存在电解电容中，终导致变频器中的直流母线电压因电容充电升高。如处理不当，变频器就会报警停机。（见图1）

对于通用变频器通常采用的方法是为变频器配备制动单元和制动电阻，制动单元通过电平检测确定直流母线电压Ud是否超过规定的限值时（如660V或710V），如过压就可以通过短时间接通电阻，使电能以热能方式消耗掉。所以准确地计算制动功率、制动电阻阻值和功率容量等参数，对于变频器的正常工作是至关重要的。 

3、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，故选型时应满足大下降重量、大下降行程、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 = NM ╳ 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 
NM 大下降重量 单位：牛 
VM 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。 

4、实际应用举例 
a、 洛阳伊川三电厂主厂房75/20吨天车 （仅以主起升为例） 
主起升电机功率37KW，运行速度0.2-2米/分钟，大提升重量100吨。变频器采用安川G7系列 45KW变频器。计算制动功率： 
NM = 100吨╳1000╳9.8 
VM = 2 /60米/秒 
PW = PE ╳（1-η）=NM ╳ VM╳（1-η） 
= 100╳1000╳9.8╳2╳（1-0.2）/60 
= 26.13千瓦 
故主起升机构制动功率应不小于26.13千瓦，参照安川制动单元选型手册，每台CDBR-4045B可提供9.6KW的制动功率，可选用3台并联使用。在设备调试中我们曾使用2台，但终因电阻过热无法完成验收测试。 

5 结束语 
对于起重变频调速系统，制动单元和制动电阻的选型非常重要，选型不当会造成电阻过热无法工作，甚至变频器炸机。大、小车行走机构的制动电阻按厂家提供的选型样本即可进行，但对于起升机构的制动电阻，必须经过计算后选型，本文提供的计算方法较为简便，且适用长时间下降工况。实践证明，根据上述公式计算出的制动功率完全满足实际需要。