选择是用能耗制动单元？还是能量回馈单元？

第一篇：选择是用能耗制动单元？还是能量回馈单元？

选择是用能耗制动单元？还是能量回馈单元？

制动的概念:指电能从电机侧流到变频器侧（或供电电源侧）,这时电机的转速高于同步转速.负载的能量分为动能和势能.动能(由速度和重量确定其大小）随着物体的运动而累积。当动能减为零时，该事物就处在停止状态。机械抱闸装置的方法是用制动装置把物体动能转换为摩擦和能消耗掉。对于变频器，如果输出频率降低，电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。这些功率可以用电阻发热消耗。在用于提升类负载,在下降时, 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”，而该方法可应用于变频器制动。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“功率返回再生方法”。在实际中，这种应用需要“能量回馈单元”选件。选择是用能耗制动单元？还是能量回馈单元？

一.能耗制动和回馈制动就效果而言，是一样的。都是为电机提供制动电流的通路。二.如何选择是用能耗制动单元？还是回馈单元？这要通过这两种制动模式的特点来决定。前者如果100%长期连续工作，制动单元和制动电阻要选择的功率足够大，这对于大功率的制动带来了不方便，比如说电阻的散热问题和体积问题很突出呀，而后者，就可以连续的100%的工作。体积相对能耗制动而言很小。但是，能耗制动的成本比回馈制动的要小很多。

综上得到的结论是：，对于短时制动的系统，毫不犹豫地选择能耗制动单元+电阻，经济省钱。对于长期100%功率制动的系统，必须要采用能量回馈单元，没商量。对于15kW以下的系统，推荐使用能耗制动，不论是短时的还是长期的。因为从成本上说是合算的（即便是100%的功率连续制动）。

第二篇：制动单元选择

在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速小于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取必需的措施处理这部分再生能量。处理再生能量的方法：能耗制动和回馈制动.能耗制动的工作方式

能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，因此又被称为“电阻制动”，它包括制动单元和制动电阻二部分。

制动单元

制动单元的功能是当直流回路的电压Ud超过规定的限值时（如660V或710V），接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式二种，前者是适用于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。

制动电阻

制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种：前者采用表面立式波纹有利于散热减低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命；后者电阻器耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻器，广泛应用于高要求恶劣工控环境使用，易紧密安装、易附加散热器，外型美观。

制动过程

能耗制动的过程如下：

能耗制动的过程如下：A、当电机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；B、当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；C、制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低；D、母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；E、采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡母线电压，使系统正常运行。

制动单元与制动电阻的选配

A、首先估算出制动转矩

=（(电机转动惯量+电机负载测折算到电机测的转动惯量）*（制动前速度-制动后速度））/375*减速时间-负载转矩

一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置；

B、接着计算制动电阻的阻值

=制动元件动作电压值的平方/（0.1047*(制动转矩-20%电机额定转矩）*制动前电机转速）

在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电解电容的容量。这里制动 单元动作电压值一般为710V。

C、然后进行制动单元的选择

在进行制动单元的选择时，制动单元的工作最大电流是选择的唯一依据，其计算公式如下：

制动电流瞬间值=制动单元直流母线电压值/制动电阻值

D、最后计算制动电阻的标称功率

由于制动电阻为短时工作制，因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率将小于通电时的

消耗功率，一般可用下式求得： 制动电阻标称功率 = 制动电阻降额系数 X 制动期间平均消耗功率 X 制动使用率%

制动特点 能耗制动（电阻制动）的优点是构造简单，缺点是运行效率降低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量，且制动电阻的容量将增大。

第三篇：能量回馈单元原理及应用

能量回馈单元基本原理及应用

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单升华

北京时代新纪元技术有限公司，北京100085 摘要 TEFU系列能量回馈单元是与通用变频器配套使用的设备，采用正弦波电流跟踪技术，它主要应用于往复运动、频繁正反转和快速停车的场合，如油田抽油机、电梯、卷绕设备、大型龙门刨床、机床主轴等。与通常采用制动单元和制动电阻的方式相比，能量回馈单元可以显著节能，并且制动转矩响应动作迅速，是一款绿色、环保、节能的产品。介绍了它的基本原理、试验波形及应用。

关键字 正弦波电流跟踪；制动转矩；响应时间；节能

The Basic Theory and Application of TEFU Series Energy Feedback Unit

SHAN Shenghua Beijing New Century Technologies Co.Ltd.，Beijing 100085 China Abstract TEFU series energy feedback unit is a device that is used with general inverter, the sine wave current tracking technology is adopted.The fields of application include reciprocation,often changing direction and rapid brake,such as take out oil machine,elevator,winding device,large planer,principal axis etc.It can save more energy compared with brake unit and brake resistor,and the brake torque is bigger.It is a green, safeguard inviroment and save energy product.It's basic theory,test waves and applications is introduced.Keywords sine wave current tracking technology；brake torque；response time；save enengy

0 引言

在变频器电气传动系统中，当电机的负载是位能式负载，如油田抽油机、矿用提升机等，或大惯量负载，如风机、水泥制管、动平衡机等，以及轧钢机、大型龙门刨床、机床主轴等需要快速制动类负载时，电机都不可避免地存在发电过程，即电机转子在外力的拖动或负载自身转动惯量的维持下，使得电机的实际转速大于变频器输出的同步转速，电机所发出的电能，将会通过变频器逆变桥的续流二极管组成的三相整流电路，储存在变频器的直流母线的滤波电容中。如果不把这部分能量消耗掉，直流母线电压就会迅速升高，影响变频器的正常工作。通常处理这部分能量的方法是增加制动单元和制动电阻，将这部分电能消耗在电阻上变成热能浪费掉，而采用TEFU系列产品完全可以替代制动单元和制动电阻，并且可以将这部分能量回馈给电网，供其他设备使用，实现绿色、环保、节能的目的。本文介绍的TEFU系列能量回馈单元提出了一种正弦波电流跟踪技术，使得回馈电网的电流波形畸变率<5%。1 电机再生能量的几种常用处理办法

在电机传动领域中，当电机快速制动或被其他力量拖动而工作在再生发电状态时，为避免变频器出现过流或过压故障跳闸，需要采取一些措施来处理电机的再生发电能量。

1）采用制动单元和制动电阻，制动单元的工作原理是通过检测变频器的直流母线电压来实现对再生能量的处理。当直流母线电压超过某一设定数值（如680 V）时，打开制动单元的开关将大功率制动电阻连接到直流母线上，释放储存在变频器内滤波电容上的电能，此时电阻将电能转变成热能消耗掉，制动能量被白白浪费，效率很低。采用这种方式时，投资较少，性能上的缺点是制动响应时间慢，制动转矩不足。2）在变频器的直流母线上并联超级大电容，这种方式的原理如图1所示。其原理是将电机制动时的再生能量储存在足够大的超级电容器中，当电机工作在电动机状况时，又将储存在超级大电容中的电能利用，因此，这样的方式效率最高，基本没有损耗，转换效率可达99%以上（不考虑电机的发电效率）。但是这种策略存在的致命缺点是电容的容量一般在法拉级，受制造工艺和材料的限制，超级大电容体积非常庞大，价格昂贵。

3）采用共用直流母线的策略，这种方式的原理如图2所示，但仅适合于多电机传动系统。当系统中某台电机处在再生发电状态时，它所发出的电能可以被处于电动状态的其他电机所利用。但是这种方案仅适用于多电机传动系统，而且要求处于发电状态的电机容量要远小于工作在电动状态的电动机容量，应用有一定的局限性。

由以上分析可见，不管采用上述何种方法处理电机的再生发电能量，都会或多或少地存在一些问题，不是耗能就是价格昂贵或者应用范围受限。针对以上问题，很多学者都在研究能量回馈问题。TEFU系列能量回馈单元基本原理

TEFU系列能量回馈单元，通过自动检测变频器的直流母线电压，采用正弦波电流跟踪技术，将变频器直流环节的直流电压逆变成与电网电压同频同相的三相交流电压，经多重噪声滤波后连接到交流电网。从而达到能量回馈的目的，并且实现单位功率因数回馈，回馈到电网的电能达到电机发电能量的97%以上，有效节省电能，其原理框图如图3所示。

具体的原理拓扑结构如图4 所示。这样的拓扑结构可以很容易做到控制交流侧和直流侧之间有功功率和无功功率的交换。所谓正弦波电流跟踪技术是指图4 中将电网电压的正弦波信号作为回馈电流的指令信号，通过闭环控制使得回馈电流波形跟踪电网电压信号的波形，从而实现回馈电流的正弦特性，减小回馈电流的畸变率。3 实验波形

从下面的实验波形中，可以看到该能量回馈单元可以很好地处理电机再生发电的能量，同时完成单位功率因数回馈，而且回馈电流畸变率< 5%。

图5是能量回馈单元回馈时某一相的相电压和回馈的相电流，图中光滑的波形是电网相电压，另一波形是回馈电流，从中可以看到回馈的功率因数约等于1，回馈电流逼近正弦波。

图6是能量回馈单元工作时回馈电流和变频器直流母线电压的波形（100 V/div），从图中可以看到，制动时变频器直流母线电压迅速上升，达到690 V 时，回馈单元立即工作，很好地将直流母线电压稳定在700 V以内，变频器的停车时间约在0.6 s，回馈单元响应迅速（2 ms以内），制动力矩大。应用

TEFU 系列能量回馈单元和变频器一起可以应用在位能式负载或大惯量负载和其他需要快速制动类负载的场合。下面是TEFU 系列能量该回馈单元与时代TVF 8000 系列变频器在河北某单位B2016A型龙门刨床上的应用情况。

B2016A 型龙门刨床是机械加工初用的大型机床，是制造重型设备不可缺少的工作母机，主要用来加工大型工件的各种平面、斜面和槽，在机加行业应用非常广泛。由于技术的限制，五六十年代的龙门刨床工作台的拖动采用了电机扩大机—直流发电机—直流电动机方式，造成故障率高，体积大、电耗大、控制精度差、效率低等诸多缺陷。基于以上种种弊端，我们对河北某加工厂的B2016A 型龙门刨床进行了变频改造，改造方案是采用时代TVF8000系列变频器配套TEFU 系列能量回馈单元方案+TVF8000 系列变频器配套制动单元和制动电阻方案。将这两种方案进行对比，采用回馈单元的方案比采用制动单元和制动电阻的方案多节能20%，节能效果显著。而且系统改造以后，运行稳定，可靠性高，系统维护简 单方便，回馈电能质量高，刨床的加工精度高，提高了加工质量与效率，延长了刀具的使用寿命。5 结语

采用正弦波电流跟踪技术研制的TEFU 系列能量回馈单元，具有自动识别电网相序，有过流、过热、短路等全面保护功能，是一款绿色环保的节能产品。

从控制性能指标上看本产品还有改进之处，如可以采用空间电压矢量控制SVPWM 调制技术产生纯净的正弦波回馈电流等。作者简介：

单升华（1967-），男，毕业于浙江大学电气学院，研究 方向为电力电子与电气传动。

第四篇：制动单元的选择资料

在变频调速系统中，电机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，在频率减小的瞬间，电机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电机的转子转速未变。当同步转速小于转子转速时，转子电流的相位几乎改变了180度，电机从电动状态变为发电状态；与此同时，电机轴上的转矩变成了制动转矩，使电机的转速迅速下降，电机处于再生制动状态。电机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈到直流电路。由于直流电路的电能无法通过整流桥回馈到电网，仅靠变频器本身的电容吸收，虽然其他部分能消耗电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升电压”，使直流电压升高。过高的直流电压将使各部分器件受到损害。因此，对于负载处于发电制动状态中必须采取必需的措施处理这部分再生能量。处理再生能量的方法：能耗制动和回馈制动.能耗制动的工作方式

能耗制动采用的方法是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在功率电阻上来实现制动。这是一种处理再生能量的最直接的办法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，因此又被称为“电阻制动”，它包括制动单元和制动电阻二部分。

制动单元

制动单元的功能是当直流回路的电压Ud超过规定的限值时（如660V或710V），接通耗能电路，使直流回路通过制动电阻后以热能方式释放能量。制动单元可分内置式和外置式二种，前者是适用于小功率的通用变频器，后者则是适用于大功率变频器或是对制动有特殊要求的工况中。从原理上讲，二者并无区别，都是作为接通制动电阻的“开关”，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。

制动电阻

制动电阻是用于将电机的再生能量以热能方式消耗的载体，它包括电阻阻值和功率容量两个重要的参数。通常在工程上选用较多的是波纹电阻和铝合金电阻两种：前者采用表面立式波纹有利于散热减低寄生电感量，并选用高阻燃无机涂层，有效保护电阻丝不被老化，延长使用寿命；后者电阻器耐气候性、耐震动性，优于传统瓷骨架电阻器，广泛应用于高要求恶劣工控环境使用，易紧密安装、易附加散热器，外型美观。

制动过程

能耗制动的过程如下：

能耗制动的过程如下：A、当电机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电机即以发电状态运行，能量反馈回直流回路，使母线电压升高；B、当直流电压到达制动单元开的状态时，制动单元的功率管导通，电流流过制动电阻；C、制动电阻消耗电能为热能，电机的转速降低，母线电压也降低；D、母线电压降至制动单元要关断的值，制动单元的功率管截止，制动电阻无电流流过；E、采样母线电压值，制动单元重复ON/OFF过程，平衡母线电压，使系统正常运行。

制动单元与制动电阻的选配

A、首先估算出制动转矩

=（(电机转动惯量+电机负载测折算到电机测的转动惯量）*（制动前速度-制动后速度））/375*减速时间-负载转矩

一般情况下，在进行电机制动时，电机内部存在一定的损耗，约为额定转矩的18%-22%左右，因此计算出的结果在小于此范围的话就无需接制动装置；

B、接着计算制动电阻的阻值

=制动元件动作电压值的平方/（0.1047*(制动转矩-20%电机额定转矩）*制动前电机转速）

在制动单元工作过程中，直流母线的电压的升降取决于常数RC，R即为制动电阻的阻值，C为变频器内部电解电容的容量。这里制动 单元动作电压值一般为710V。C、然后进行制动单元的选择

在进行制动单元的选择时，制动单元的工作最大电流是选择的唯一依据，其计算公式如下：

制动电流瞬间值=制动单元直流母线电压值/制动电阻值

D、最后计算制动电阻的标称功率

由于制动电阻为短时工作制，因此根据电阻的特性和技术指标，我们知道电阻的标称功率将小于通电时的消耗功率，一般可用下式求得： 制动电阻标称功率 = 制动电阻降额系数 X 制动期间平均消耗功率 X 制动使用率%

制动特点 能耗制动（电阻制动）的优点是构造简单，缺点是运行效率降低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量，且制动电阻的容量将增大。

R=U*U/Pz Pz=制动功率 R=制动电阻值

拖动电机功率为132KW，动作电压可适当降低如680v，主要是降低制动电阻阻值如6－10欧姆，据本人经验，阻值一般不小于6欧均可；制动电阻功率要严格保证，若动作频繁，制动电阻须强制散热。制动电阻计算方法: 制动力矩 制动电阻 92% R=780/电动机KW 100% R=700/电动机KW 110% R=650/电动机KW 120% R=600/电动机KW 注：①电阻值越小，制动力矩越大，流过制动单元的电流越大;②不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流，否则要损坏器件;③制动时间可人为选择;④小容量变频器(≤7.5KW)一般是内接制动单元和制动电阻的;⑤当在快速制动出现过电压时,说明电阻值过大来不及放电，应减少电阻值.4、电阻功率计算方法: 制动性质 电阻功率

一般负荷 W(Kw)=电阻KWΧ10℅

频繁制动（1分钟5次以上）W(Kw)=电阻KWΧ15℅ 长时间制动（每次4分钟以上）W(Kw)=电阻KWΧ20℅

1, 计算 制动电阻欧姆=700/电机千瓦数（380 系列）

电阻功率=电机千瓦数*10%--15% 关于制动电阻的阻值，是根据变频器的厂家和型号来的，有严格的标准，但功率可以放大。为了保证散热性能，如果你要频繁制动，最好是把制动电阻的功率放到电机功率的一半。

第五篇：变频调速器回馈制动单元的设计[最终版]

引言

随着电力传动及控制技术的发展，变频调速越来越广泛地应用于工农业各领域，很好地解决了交流电动机的调速问题。而通用变频器常采用交直流电压型逆变器拓朴结构，只能运行在一、三象限。为获得电动机的制动要求，常采用电阻吸收直流侧的泵升能量，由于制动电阻放电时受电阻设计温升的限制，只能规定在较短时间的制动；另一方面这种依靠电阻放电的制动模式无法实现快速的动态响应；而对大功率变频器，电阻制动更为困难。为此我们设计了一种采用PWMAC／DC变换器控制的变频器能量回馈制动单元，与电阻放电制动相比，不仅获得了快速的动态响应，而且把制动电能回馈至电网，且能长期运行，使变频器真正实现了回象限运行。另外能量回馈制动单元工作时其网侧电流为正弦波并为单位功率因数，克服了可控硅有源逆变单元运行时对电网的谐波污染。控制系统的构成及原理

如图2—1，控制系统主电路采用单相PWMAC／DC变换器拓朴结构，L为交流进线电感以实现网侧电流PWM控制，T1～T4采用IPM模块，从而提高了功率开关工作的可靠性并简化了硬件设计。

回馈单元的直流侧并接于变频器的直流母线PN端，交流侧并接于电网。

系统采用80C196MC16位单片微处理器控制，即完成2-1虚框中的运算与PWM波形生成任务。控制系统要用电压外环和电流内环的双环结构。电压外环检测变频器直流侧电压，一旦变频器快速降频制动时，逆变器泵升电压上升至回馈电压V＊时，电压环立即动态调节，使实际电压稳定在V＊附

近。为避免整流电路与回馈单元同时工作，V＊电压值一般选择为0．85 Vdm（Vdm为变频器过压保护值），并加入一定滞环以防振荡。而电流环则按电压调节要求迅速调节网侧电流使网侧电流为正弦波且与电网电压反相（功率因数为－1），使直流电能快速回馈至电网，其网侧电流、电压矢量如图2—2所示。

在调节器设计上，外环电压调节器采用积分分离PID算法使电压控制具有动态响应快、超调小等优点，而电流环的电流控制则采用基于电压前馈的电流无差拍控制，使网侧电流具有快速跟随性能。3 电流控制算法

如图2—1，设Ve为纯正弦波，Ve＝Vemsinωt；Vn为变流器交流端电压的基波分量，则

式中R为输入回路等效电阻。考虑tn→tn＋T一个稳态开关周期（T为开关周期），如果开关频率足够高，在一个稳态开关周期中Ve可由对应的瞬时值Ve（tn）代替。对式（3—1）在tn→tn＋T时段上离散化得：

式（3—5）表明：若按式（3—5）运算并控制变流器交流端输出电压Vn（tn）就可以实现电流无差拍

控制，使系统具有较好的跟踪性。而式（3—5）右边如果忽略R则体现了电流控制系统具有电流反馈［i＊（tn）－i（tn）］加电压前馈Ve（tn）的控制特性。

如果PWM调制采用三角波调制方案，并设三角波峰—峰值为2 h，调制波函数为y（t），显然： 回馈单元容量参数设计

回馈单元容量参数主要包括回馈单元功率模块电流参数和电压参数。

由于回馈单元直流侧与变频器直流侧并接，故功率模块电压参数应与变频器功率模块电压参数一致，如220V系列选择600V耐压模块，380V系列选择1 200V耐压模块。

下面讨论回馈单元功率模块电流参数的选择。

这一参数主要通过最快启动、制动能量传递的对比研究而定量获得。

对于启动过程，设变频器驱动电动机由零速快速升速至所允许的最高转速，其对应的角速度为ωm，若变频器采用最大电流（IBm）限流启动模式，并设最短加速时间为T1，若变频器采用线性V／f模式，则加速过程变频器输出电压、电流曲线近似如图4—1所示。

这里假设电机线性加速，变频器线性升压，此时变频器输出电能以驱动电机旋转，由能量平衡关系 易得：

式中η1为变频器输