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

      起重機(jī)變頻系統(tǒng)制動(dòng)單元與制動(dòng)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(dòng)電阻(鋁殼電阻)和制動(dòng)單元，并給出一種計(jì)算制動(dòng)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(dòng)單元、制動(dòng)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(dòng)單元將這部分能量由制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)以熱能的形式釋放掉，所以制動(dòng)單元和制動(dòng)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)。
 
      二、變頻器能耗制動(dòng)工作原理
      在同一個(gè)電力拖動(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)，制動(dòng)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(dòng)功率、制動(dòng)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(dòng)功率的簡便計(jì)算
      對于制動(dòng)功率的計(jì)算通常是采用計(jì)算制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方法，但針對于起重變頻器的制動(dòng)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(dòng)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(dòng)單元為BBU-4045 1臺，制動(dòng)功率9.6KW,如果此變頻器用于提升機(jī)構(gòu)，制動(dòng)功率就會(huì)差的太多而無法工作。ABB變頻器制動(dòng)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(dòng)功率容量較小，而重物下降時(shí)所需的制動(dòng)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(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，而電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)功率PW后再依據(jù)廠家提供的手冊配置相應(yīng)的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，一定要嚴(yán)格按照手冊數(shù)據(jù)配置制動(dòng)單元，否則可能會(huì)因配置不當(dāng)導(dǎo)致制動(dòng)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(dòng)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(dòng)功率應(yīng)不小于26.13千瓦，參照安川制動(dòng)單元選型手冊，每臺BBU-4045可提供9.6KW的制動(dòng)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(dòng)單元和制動(dòng)電阻(鋁殼電阻)的選型非常重要，選型不當(dāng)會(huì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)功率完全滿足實(shí)際需要。