变频器控制系统的制动单元及其应用
方涌奎1 屈敏娟2 张支钢2
上海机床厂有限公司（200093）
2
上海长机自动化有限公司（200093）
摘 要 阐述了在变频器控制系统中，电动机制动所带来的问题。介绍了在变频器控制系统中，电动机的能耗制动、直流制动和回馈（再生）制动等几种方法和及其制动单元的基本原理与应用，最后以二个实例来说明制动单元的实际应用。
关键词 变频器 控制系统 制动 制动单元
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在日常工作中需要电动机迅速而准确的停车，为此对电动机采取一定的制动方法来实现。但在变频器控制系统中采用同样的制动方法，由于变频器的结构而带来了一些问题，这一点必须加以重视。
1 变频器控制系统电动机制动所存在的问题
在变频器控制系统中经常遇到需要电动机制动的场合，如大惯量负载的快速停车、势能负载的拖动、多级传动中的同步控制及负载突变等。
当变频器给定频率的下降速度过快时，由于所拖动的电动机带有负载（机械装置），有较大的机械惯量而不能很快地下降，使电动机绕组切割旋转磁场的速度加快， 绕组的电动势和电流增大，造成电动机侧的反电势E 大于端电压U ，电动机处于制动状态或发电状态，且有较强的制动转矩。这一能量的回馈将通过变频器的逆变环节中与大功率管并联的二极管流向变频器的直流供电环节。
对于通用变频器来说，其基本结构多是“整流+滤波+逆变”的“交-直-交”系统， 其整流部分大多采用不可逆的桥式整流电路，因此无法将这能量回馈给主电路，结果就造成变频器直流供电环节中的电容器二端电压（通常称之泵升电压）升高。当回馈能量较大时，还会引起直流回路的过电压而发生变频器的过电压故障。这就是在变频器控制系统中，电动机制动所带来的新问题，必须加以注意。
2 变频器控制系统电动机制动的方法 2.1 能耗制动
对于变频器，如果输出频率降低，电动机转速
将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程。由制动产生的功率将返回到变频器侧，这些功率以电阻发热形式消耗，因此该制动方法被称作“能耗制动”。
由于用发热来消耗返回的功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了提高制动能力，不能期望增加变频器的容量来解决问题。由于不可能无限制减小制动电阻值来增大制动电流值，可选用“制动单元+制动电阻”选件来提高变频器的制动能力。 2.2 直流制动
直流制动是在变频器停止时刻输出一直流电流产生转矩迫使电动机停止以确保准确停车。
在一般的变频器中，大多都有直流制动的设置项目，用户只要对它作以下的设定即可。 选择是否启用直流制动功能；
根据实际需要设置直流制动的电流值； 设置直流制动的时间；
设置直流制动的开始频率，此值应根据负载对制动时间的要求来设定，一般应尽量设置得低一些。 2.3 回馈（再生）制动
在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做回馈（再生）制动。同样当用于提升类负载在下降的过程中，能量（势能）也要返回到变频器（或电源）侧进行制动。这种操作方法被称作“再生制动”，该方法也可应用于变频器制动。在实际中这种应用需要“能量回馈单元”选件。
3 制动单元的基本原理与应用
制动单元是变频器的配套附件设备。当变频器
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万方数据
拖动适配电动机减速运行时（减速的方法通常是通过逐步降低给定频率来实现的），电动机轴上的机械能通过电动机转换为电能回馈到变频器的直流母线端，母线二端产生的泵生电压将会导致直流母线上的电压升高，此时变频器可控制制动单元的制动电阻把升高的电压以热能的方式消耗掉，这样既可以抑制直流母线电压过高，又可以提高变频器的制动能力，确保电动机在设定的时间内快速停车。为了使得系统平稳降速，需要设置适当的减速时间，同时选择合适的制动电阻和制动单元才能满足需要。 3.1 制动单元框图
图1是制动单元的基本框图。
图1 制动单元的基本框图
3.2 制动单元的基本原理
由图1可知，制动单元包括电压采样与比较电路、功率管驱动电路、功率管放大及保护电路等。
电压采样与比较电路：通过电阻的分压按比例取出来自直流母线二端电压的一部分作为采样电压与稳定不变的基准电压相比较，得到控制功率管导通或截止的指令信号，以供给功率管驱动级。
功率管驱动电路：用于接受前级比较电路发出的指令信号进行预放大以驱动功率管导通或截止。
功率管放大：用于接通与关断能耗电路（如电阻），为制动单元的主体。
保护电路：由于在制动单元中所用电阻的标称功率比实际消耗的功率要小得多，因为它是短期工作运行方式，因此如通过时间过长必然导致过热损坏所以要加入热保护。同样道理，对功率管也必须加入热保护。这些保护一般通过中间继电器输出，供设计师作系统保护用。
由上可知，制动单元的功能是当直流母线二端电压超过制动单元规定的限值时，比较电路发出指令信号，驱动功率管的导通，从而接通能耗电路（电阻），消耗了直流母线上的能量，达到了制动的目的。 3.3 制动单元的具体选用
当前制动单元的生产厂家很多，基本上生产变
万方数据
频器的厂家都生产制动单元，如西门子、安川、三菱等，也有些专业生产厂家如SCS 、鹰峰科技、沪宜电气等。由于各单位的产品各有特点，还需用户认真选择。下面仅对我们遇到过的问题作一说明。
1) 制动单元的选用 根据变频器功率选好合适的制动单元及制动电阻。实际上制动单元、制动电阻和变频器功率并无确定的对应关系，根据所需要制动转矩的大小可以灵活选配，比如当需要较小的制动转矩时（小于100%），可以选择较小的制动单元和制动电阻。但要注意的是制动单元及制动电阻的阻值、功率通常是在制动转矩为100%、制动电阻使用率为20%的前提下选配的。
2) 关于接线
(1) 动力线与信号线分开走尤其不能平行走； (2) 变频器与制动单元、制动单元与制动电阻之间的接线距离尽可能的短，以提高制动效率；
(3) 由于制动单元及制动电阻连线上有较强的噪声分量，因此其周围抗噪声较弱的信号线应进行屏蔽，如多台制动单元之间的接线必须采用屏蔽线或双绞线。
3) 提示 只有在电源指示灯完全熄灭并用电表确认充电电压已降至零时才可以实施配线、检查等作业。
4 应用实例
下面以我们在宝钢1080项目中的二个应用为例来说明变频器、制动单元和制动电阻的使用。 4.1 系统组成说明
三菱变频器FR-A540L-S160k 的主要组成:变频器FR-A540L-S160k 、输入滤波器JKG-320/0.07、直流滤波器、输出滤波器CHKSG-320/0.0934、制动单元UFS110x2、制动电阻RUFC110x8、交流电动机1LG6318-8AB60-Z 等。
西门子变频器6SE7033-2EG60的组成：变频器6SE7033-2EG60、输入滤波器4EU2752-7UA00-0A 、 输出滤波器6SE7033-2EB87-1FE0、控制面板6SE 7090-0XX84-2FK0、制动单元6SE7032-7EB87-2D A0、制动电阻6SE7032-7EB87-2DC0、交流电动机1LG6318-8AB60-Z 等。 4.2 制动性能的实测数据
以三菱变频器为例，设定不同的参数（Pr.8:减速时间，Pr.20：加/减速基准频率），在不同的频率
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下，测出对应的停止时间，具体数据如表1所示。
表1 在不同的频率下，对应的停止时间
频率/Hz 停止时间/s 备注
不带
20 50
制动单元
20 50 带制动单元15 50 不带制动单元
15 20 带制动单元
10 50 带制动单元
5 50 带制动单元
带制动单元
带制动单元
西门子变频器的制动性能与上述的数据基本相同，不再重复。
4.3 结论
根据表1可以作出图2的关于Pr.8：
减速时间、Pr.20：加/减速基准频率与停止时间t 的关系曲线。从中可知，在相同的加/减速基准频率Pr.20下工作频率f 越大、电动机的转速越高则停止时间t 就越长。在相同的工作频率f 和同样的减速时间Pr.8：下加/减速基准频率Pr.20 越大停止时间t 就越短。
图2 不同的参数与停止时间t 的关系曲线
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万方数据
4.4 说明
设置合适的减速时间是必须的，因为太短的减速时间会造成变频器的报警。由于表1的数据测试是在较轻的负载情况下进行的，因此设置的减速时间是Pr.8=5 s ，但实际使用时负载要大得多而造成了变频器的报警。最后通过调试：Pr.8（减速时间）=10 s ，Pr.20(加/减速基准频率)=100 Hz 。
制动单元的选择必须根据所采用的电动机功率大小和所需要制动转矩的大小而灵活选配。
对于西门子系统而言可按系列产品进行选择，如我们选用的电动机型号为1LG6318-8AB60-Z 、功率为132 kW 则应选用的变频器型号为6SE7033-2EG60、功率为160kW ；所对应的制动单元和制动电阻可用6SE7032-7EB87-2DA0+ 6SE7032-7EB87-2DC0。
对于三菱系统而言，由于其制动单元和制动电阻在国内应用较少，交货周期较长，因此按推荐选用了意大利SCS 公司配套的制动单元和制动电阻(UFS110x2+RUFC110x8)，由于单件容量不能满足所选用变频器功率的要求，所以要采用多机并联的方法对于三菱变频器FR-A540L-S160k ，则要求二机并联，如图3所示。
图3 制动单元二机并联的接法
当制动单元多机并联时，必须先确定一台制动单元为主机（Master ）其余为从机（Slave ），然后在主机上设置好制动单元动作的限值，再是用双绞线或屏蔽线来连接主-从机。
在SCS 系统中，设定是通过标志为S1的8个拨动开关SW 1～SW8进行的，其中SW1~SW7是用于选择动作电压限值，可选动作电压范围为677～778V 。我们设SW4为ON 其余为OFF ，此时动作电压为745 V ；SW8是用于选择主-从机，当SW8为OFF ，设为主机；当SW8为ON ，设为从机。
变频器控制系统的制动单元及其应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
方涌奎， 屈敏娟， 张支钢， FANG Yongkui， QU Minjuan， ZHANG Zhigang
方涌奎,FANG Yongkui(海机床厂有限公司,200093)， 屈敏娟,张支钢,QU Minjuan,ZHANG Zhigang(上海长机自动化有限公司,200093)
精密制造与自动化
PRECISE MANUFACTURING & AUTOMATION2009，(1)0次
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变频器控制系统的制动单元及其应用
方涌奎1 屈敏娟2 张支钢2
上海机床厂有限公司（200093）
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上海长机自动化有限公司（200093）
摘 要 阐述了在变频器控制系统中，电动机制动所带来的问题。介绍了在变频器控制系统中，电动机的能耗制动、直流制动和回馈（再生）制动等几种方法和及其制动单元的基本原理与应用，最后以二个实例来说明制动单元的实际应用。
关键词 变频器 控制系统 制动 制动单元
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在日常工作中需要电动机迅速而准确的停车，为此对电动机采取一定的制动方法来实现。但在变频器控制系统中采用同样的制动方法，由于变频器的结构而带来了一些问题，这一点必须加以重视。
1 变频器控制系统电动机制动所存在的问题
在变频器控制系统中经常遇到需要电动机制动的场合，如大惯量负载的快速停车、势能负载的拖动、多级传动中的同步控制及负载突变等。
当变频器给定频率的下降速度过快时，由于所拖动的电动机带有负载（机械装置），有较大的机械惯量而不能很快地下降，使电动机绕组切割旋转磁场的速度加快， 绕组的电动势和电流增大，造成电动机侧的反电势E 大于端电压U ，电动机处于制动状态或发电状态，且有较强的制动转矩。这一能量的回馈将通过变频器的逆变环节中与大功率管并联的二极管流向变频器的直流供电环节。
对于通用变频器来说，其基本结构多是“整流+滤波+逆变”的“交-直-交”系统， 其整流部分大多采用不可逆的桥式整流电路，因此无法将这能量回馈给主电路，结果就造成变频器直流供电环节中的电容器二端电压（通常称之泵升电压）升高。当回馈能量较大时，还会引起直流回路的过电压而发生变频器的过电压故障。这就是在变频器控制系统中，电动机制动所带来的新问题，必须加以注意。
2 变频器控制系统电动机制动的方法 2.1 能耗制动
对于变频器，如果输出频率降低，电动机转速
将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程。由制动产生的功率将返回到变频器侧，这些功率以电阻发热形式消耗，因此该制动方法被称作“能耗制动”。
由于用发热来消耗返回的功率，需要在变频器侧安装制动电阻。为了提高制动能力，不能期望增加变频器的容量来解决问题。由于不可能无限制减小制动电阻值来增大制动电流值，可选用“制动单元+制动电阻”选件来提高变频器的制动能力。 2.2 直流制动
直流制动是在变频器停止时刻输出一直流电流产生转矩迫使电动机停止以确保准确停车。
在一般的变频器中，大多都有直流制动的设置项目，用户只要对它作以下的设定即可。 选择是否启用直流制动功能；
根据实际需要设置直流制动的电流值； 设置直流制动的时间；
设置直流制动的开始频率，此值应根据负载对制动时间的要求来设定，一般应尽量设置得低一些。 2.3 回馈（再生）制动
在减速期间，产生的功率如果不通过热消耗的方法消耗掉而是把能量返回送到变频器电源侧的方法叫做回馈（再生）制动。同样当用于提升类负载在下降的过程中，能量（势能）也要返回到变频器（或电源）侧进行制动。这种操作方法被称作“再生制动”，该方法也可应用于变频器制动。在实际中这种应用需要“能量回馈单元”选件。
3 制动单元的基本原理与应用
制动单元是变频器的配套附件设备。当变频器
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万方数据
拖动适配电动机减速运行时（减速的方法通常是通过逐步降低给定频率来实现的），电动机轴上的机械能通过电动机转换为电能回馈到变频器的直流母线端，母线二端产生的泵生电压将会导致直流母线上的电压升高，此时变频器可控制制动单元的制动电阻把升高的电压以热能的方式消耗掉，这样既可以抑制直流母线电压过高，又可以提高变频器的制动能力，确保电动机在设定的时间内快速停车。为了使得系统平稳降速，需要设置适当的减速时间，同时选择合适的制动电阻和制动单元才能满足需要。 3.1 制动单元框图
图1是制动单元的基本框图。
图1 制动单元的基本框图
3.2 制动单元的基本原理
由图1可知，制动单元包括电压采样与比较电路、功率管驱动电路、功率管放大及保护电路等。
电压采样与比较电路：通过电阻的分压按比例取出来自直流母线二端电压的一部分作为采样电压与稳定不变的基准电压相比较，得到控制功率管导通或截止的指令信号，以供给功率管驱动级。
功率管驱动电路：用于接受前级比较电路发出的指令信号进行预放大以驱动功率管导通或截止。
功率管放大：用于接通与关断能耗电路（如电阻），为制动单元的主体。
保护电路：由于在制动单元中所用电阻的标称功率比实际消耗的功率要小得多，因为它是短期工作运行方式，因此如通过时间过长必然导致过热损坏所以要加入热保护。同样道理，对功率管也必须加入热保护。这些保护一般通过中间继电器输出，供设计师作系统保护用。
由上可知，制动单元的功能是当直流母线二端电压超过制动单元规定的限值时，比较电路发出指令信号，驱动功率管的导通，从而接通能耗电路（电阻），消耗了直流母线上的能量，达到了制动的目的。 3.3 制动单元的具体选用
当前制动单元的生产厂家很多，基本上生产变
万方数据
频器的厂家都生产制动单元，如西门子、安川、三菱等，也有些专业生产厂家如SCS 、鹰峰科技、沪宜电气等。由于各单位的产品各有特点，还需用户认真选择。下面仅对我们遇到过的问题作一说明。
1) 制动单元的选用 根据变频器功率选好合适的制动单元及制动电阻。实际上制动单元、制动电阻和变频器功率并无确定的对应关系，根据所需要制动转矩的大小可以灵活选配，比如当需要较小的制动转矩时（小于100%），可以选择较小的制动单元和制动电阻。但要注意的是制动单元及制动电阻的阻值、功率通常是在制动转矩为100%、制动电阻使用率为20%的前提下选配的。
2) 关于接线
(1) 动力线与信号线分开走尤其不能平行走； (2) 变频器与制动单元、制动单元与制动电阻之间的接线距离尽可能的短，以提高制动效率；
(3) 由于制动单元及制动电阻连线上有较强的噪声分量，因此其周围抗噪声较弱的信号线应进行屏蔽，如多台制动单元之间的接线必须采用屏蔽线或双绞线。
3) 提示 只有在电源指示灯完全熄灭并用电表确认充电电压已降至零时才可以实施配线、检查等作业。
4 应用实例
下面以我们在宝钢1080项目中的二个应用为例来说明变频器、制动单元和制动电阻的使用。 4.1 系统组成说明
三菱变频器FR-A540L-S160k 的主要组成:变频器FR-A540L-S160k 、输入滤波器JKG-320/0.07、直流滤波器、输出滤波器CHKSG-320/0.0934、制动单元UFS110x2、制动电阻RUFC110x8、交流电动机1LG6318-8AB60-Z 等。
西门子变频器6SE7033-2EG60的组成：变频器6SE7033-2EG60、输入滤波器4EU2752-7UA00-0A 、 输出滤波器6SE7033-2EB87-1FE0、控制面板6SE 7090-0XX84-2FK0、制动单元6SE7032-7EB87-2D A0、制动电阻6SE7032-7EB87-2DC0、交流电动机1LG6318-8AB60-Z 等。 4.2 制动性能的实测数据
以三菱变频器为例，设定不同的参数（Pr.8:减速时间，Pr.20：加/减速基准频率），在不同的频率
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下，测出对应的停止时间，具体数据如表1所示。
表1 在不同的频率下，对应的停止时间
频率/Hz 停止时间/s 备注
不带
20 50
制动单元
20 50 带制动单元15 50 不带制动单元
15 20 带制动单元
10 50 带制动单元
5 50 带制动单元
带制动单元
带制动单元
西门子变频器的制动性能与上述的数据基本相同，不再重复。
4.3 结论
根据表1可以作出图2的关于Pr.8：
减速时间、Pr.20：加/减速基准频率与停止时间t 的关系曲线。从中可知，在相同的加/减速基准频率Pr.20下工作频率f 越大、电动机的转速越高则停止时间t 就越长。在相同的工作频率f 和同样的减速时间Pr.8：下加/减速基准频率Pr.20 越大停止时间t 就越短。
图2 不同的参数与停止时间t 的关系曲线
38
万方数据
4.4 说明
设置合适的减速时间是必须的，因为太短的减速时间会造成变频器的报警。由于表1的数据测试是在较轻的负载情况下进行的，因此设置的减速时间是Pr.8=5 s ，但实际使用时负载要大得多而造成了变频器的报警。最后通过调试：Pr.8（减速时间）=10 s ，Pr.20(加/减速基准频率)=100 Hz 。
制动单元的选择必须根据所采用的电动机功率大小和所需要制动转矩的大小而灵活选配。
对于西门子系统而言可按系列产品进行选择，如我们选用的电动机型号为1LG6318-8AB60-Z 、功率为132 kW 则应选用的变频器型号为6SE7033-2EG60、功率为160kW ；所对应的制动单元和制动电阻可用6SE7032-7EB87-2DA0+ 6SE7032-7EB87-2DC0。
对于三菱系统而言，由于其制动单元和制动电阻在国内应用较少，交货周期较长，因此按推荐选用了意大利SCS 公司配套的制动单元和制动电阻(UFS110x2+RUFC110x8)，由于单件容量不能满足所选用变频器功率的要求，所以要采用多机并联的方法对于三菱变频器FR-A540L-S160k ，则要求二机并联，如图3所示。
图3 制动单元二机并联的接法
当制动单元多机并联时，必须先确定一台制动单元为主机（Master ）其余为从机（Slave ），然后在主机上设置好制动单元动作的限值，再是用双绞线或屏蔽线来连接主-从机。
在SCS 系统中，设定是通过标志为S1的8个拨动开关SW 1～SW8进行的，其中SW1~SW7是用于选择动作电压限值，可选动作电压范围为677～778V 。我们设SW4为ON 其余为OFF ，此时动作电压为745 V ；SW8是用于选择主-从机，当SW8为OFF ，设为主机；当SW8为ON ，设为从机。
变频器控制系统的制动单元及其应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
方涌奎， 屈敏娟， 张支钢， FANG Yongkui， QU Minjuan， ZHANG Zhigang
方涌奎,FANG Yongkui(海机床厂有限公司,200093)， 屈敏娟,张支钢,QU Minjuan,ZHANG Zhigang(上海长机自动化有限公司,200093)
精密制造与自动化
PRECISE MANUFACTURING & AUTOMATION2009，(1)0次
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