起重機(jī)變頻系統(tǒng)制動單元與制動電阻(鋁殼電阻)的計(jì)算

      起重機(jī)變頻系統(tǒng)制動單元與制動電阻(鋁殼電阻)的計(jì)算
      摘  要：本文介紹了在起重變頻調(diào)速系統(tǒng)中如何正確選擇制動電阻(鋁殼電阻)和制動單元，并給出一種計(jì)算制動電阻(鋁殼電阻)功率的簡便方法。

      關(guān)鍵詞：起重機(jī)、變頻器、制動單元、制動電阻、鋁殼電阻

      一、引 言
      起重機(jī)調(diào)速技術(shù)已有了較長的發(fā)展歷史，從直流調(diào)速到交流調(diào)速，從AC定子調(diào)速技術(shù)到DC晶閘管調(diào)速裝置，再發(fā)展到今天廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速技術(shù)。但這些技術(shù)都存在著元件易損、維修不便、設(shè)備沖擊大、調(diào)速范圍小等許多缺點(diǎn)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻成熟，以其調(diào)速范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、減小噪音、節(jié)約電力等優(yōu)點(diǎn)，開始在起重領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

      在起重變頻調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行中，當(dāng)停車或下降時(shí)，重物產(chǎn)生的位勢負(fù)載使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，能量向電源側(cè)回饋，由于大多數(shù)變頻器沒有電能回饋裝置，此時(shí)必須通過制動單元將這部分能量由制動電阻(鋁殼電阻)以熱能的形式釋放掉，所以制動單元和制動電阻(鋁殼電阻)在起重變頻調(diào)速系統(tǒng)中起著非常重要的作用。本文重點(diǎn)介紹如何正確選型制動單元和制動電阻(鋁殼電阻)。
 
      二、變頻器能耗制動工作原理
      在同一個(gè)電力拖動系統(tǒng)中,當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于變頻器輸出頻率所對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速時(shí),處于發(fā)電狀態(tài)的電動機(jī)及負(fù)載的慣性能量將反饋到變頻器中(這種情況一般發(fā)生在電機(jī)被拖著走的時(shí)候,如起重機(jī)重物下降)。但通用變頻器大多沒有設(shè)計(jì)使再生能量反饋到三相電源的功能，因此所有變頻器從電機(jī)吸收的能量都會保存在電解電容中，最終導(dǎo)致變頻器中的直流母線電壓因電容充電升高。如處理不當(dāng)，變頻器就會報(bào)警停機(jī)。
 
      對于通用變頻器通常采用的方法是為變頻器配備制動單元和制動電阻(鋁殼電阻)，制動單元通過電平檢測確定直流母線電壓Ud是否超過規(guī)定的限值時(shí)（如660V或710V），如過壓就可以通過短時(shí)間接通電阻，使電能以熱能方式消耗掉。所以準(zhǔn)確地計(jì)算制動功率、制動電阻阻值和功率容量等參數(shù)，對于變頻器的正常工作是至關(guān)重要的。
 
      三、起重變頻器制動功率的簡便計(jì)算
      對于制動功率的計(jì)算通常是采用計(jì)算制動轉(zhuǎn)矩的方法，但針對于起重變頻器的制動功率的計(jì)算此方法不太適用且計(jì)算太復(fù)雜。國內(nèi)外的變頻器廠家也沒有針對起重變頻器制動功率給出方便的計(jì)算方法，如果僅依據(jù)其選型手冊按一般停車工況進(jìn)行選型，通常不能正常使用。如博邦G7系列45KW變頻器，如按手冊選型最大選擇制動單元為BBU-4045 1臺，制動功率9.6KW,如果此變頻器用于提升機(jī)構(gòu)，制動功率就會差的太多而無法工作。ABB變頻器制動單元選型手冊也都是針對停車工況選型的計(jì)算，無法完成在起重領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)的選型。

     對于起重變頻器停車工況所需的制動功率容量較小，而重物下降時(shí)所需的制動功率容量較大，故選型時(shí)應(yīng)滿足最大下降重量、最大下降行程、最快下降速度的要求。在起重機(jī)重荷下降時(shí)電動機(jī)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，而電動機(jī)的驅(qū)動是來自于重物的勢能，根據(jù)能量守恒定律，產(chǎn)生的電能應(yīng)等于重物勢能的釋放，又等于電阻的熱能耗（在不考慮功率損耗）。所以只需計(jì)算重物勢能產(chǎn)生的功率就是所需的制動功率。對于下降物體勢能產(chǎn)生的功率很容易計(jì)算。
          
     PE =  NM ╳ VM
     PW =  PE ╳ （1-η）
     PE   下降勢能產(chǎn)生的功率    單位：瓦
     PW   制動功率       單位：瓦
     NM   最大下降重量   單位：牛
     VM   最快下降速度   單位：米/秒
        η  電機(jī)和變頻器的內(nèi)耗功率系數(shù)，一般為20%
      計(jì)算出制動功率PW后再依據(jù)廠家提供的手冊配置相應(yīng)的制動單元和制動電阻，一定要嚴(yán)格按照手冊數(shù)據(jù)配置制動單元，否則可能會因配置不當(dāng)導(dǎo)致制動單元電流過大而燒壞。
 
      四、實(shí)際應(yīng)用舉例
      a、洛陽伊川三電廠主廠房75/20噸天車 （僅以主起升為例）主起升電機(jī)功率37KW，運(yùn)行速度0.2-2米/分鐘，最大提升重量100噸。變頻器采用安川G7系列 45KW變頻器。計(jì)算制動功率：    NM = 100噸╳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
      
      故主起升機(jī)構(gòu)制動功率應(yīng)不小于26.13千瓦，參照安川制動單元選型手冊，每臺BBU-4045可提供9.6KW的制動功率，可選用3臺并聯(lián)使用。在設(shè)備調(diào)試中我們曾使用2臺，但終因電阻過熱無法完成驗(yàn)收測試。
 
      五、結(jié)束語   
      對于起重變頻調(diào)速系統(tǒng)，制動單元和制動電阻(鋁殼電阻)的選型非常重要，選型不當(dāng)會造成電阻過熱無法工作，甚至變頻器炸機(jī)。大、小車行走機(jī)構(gòu)的制動電阻按廠家提供的選型樣本即可進(jìn)行，但對于起升機(jī)構(gòu)的制動電阻(鋁殼電阻)，必須經(jīng)過計(jì)算后選型，本文提供的計(jì)算方法較為簡便，且適用長時(shí)間下降工況。實(shí)踐證明，根據(jù)上述公式計(jì)算出的制動功率完全滿足實(shí)際需要。