變頻器設(shè)計(jì)，剎車電阻如何選？Chopper結(jié)溫如何評(píng)估？

前言

通用變頻器應(yīng)用在大慣量負(fù)載時(shí)，短時(shí)間內(nèi)的減速會(huì)使母線電壓升高，由于成本原因通用變頻器沒有主動(dòng)前端無法將能量回饋電網(wǎng)，理論上如果電容容量夠大，可以先存儲(chǔ)能量將來釋放出來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，避免能量浪費(fèi)，但是電容的容量有限，而電容的耐壓也是有限的，當(dāng)母線電容的電壓高到一定程度，就可能會(huì)損壞電容了，有些還可能損壞IGBT，所以需要及時(shí)通過制動(dòng)電阻來釋放能量，維持母線電壓不超過最大允許值。

具體到制動(dòng)電阻的選型，它既關(guān)系到電阻本身的阻值和功率，又關(guān)系到Brake IGBT的結(jié)溫等性能的計(jì)算，下面就為大家做詳細(xì)解釋。

模塊介紹

拿一款MiniSKiiP系列的 35NAB12T4V1的CIB模塊來舉例。模塊內(nèi)部包含了三相不可控整流橋，制動(dòng)單元和兩電平三相逆變橋，每個(gè)IGBT包括Brake IGBT電壓是1200V，電流是50A，最高結(jié)溫175°C，運(yùn)行結(jié)溫150°C。

變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)

制動(dòng)電阻選型是一套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一部分，所以它和配套的電機(jī)、變頻器本身的硬件和軟件都會(huì)有關(guān)，所以在確定制動(dòng)電阻前，需要先假設(shè)一些條件如下：

目前380V電壓等級(jí)的變頻器11/15kW的輸出電流介于25~33A左右，模塊

MiniSKiiP35NAB12T4V1的50A額定電流，可以匹配15kW/380V變頻器；

380V變頻器母線電容往往是多組400V電解電容串并聯(lián)，理論母線電壓可以最高達(dá)到800VDC，假定制動(dòng)IGBT開通的母線閾值為Vbr=785V(DC)，制動(dòng)時(shí)滯回區(qū)間為760~785VDC;

變頻器額定工作時(shí)，假定散熱片的溫度Ts≤85°C

假定母線電容為830uF/400V，采用每組2個(gè)串聯(lián)，共4組，等效容值1660uF；

假定電機(jī)效率為?1=85%，逆變器效率為?2=98%；

假定制動(dòng)時(shí)刻的制動(dòng)能力是1.3倍的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;

確定制動(dòng)電阻Max/Min value

制動(dòng)電阻阻值Rmin：

由于暫時(shí)不確定Brake IGBT開通的脈沖是否小于1ms，所以Ic取額定Ic=50A，那么IGBT開通時(shí)的電流不應(yīng)該大于此值，可得到最小Rmin；Rmin=Vbr/Ic=785/50=15.7ohm；

制動(dòng)電阻阻值Rmax：

由于制動(dòng)時(shí)刻的最大扭矩為額定1.3倍，電阻上消耗的能量來自直流回路，它應(yīng)該不小于最大制動(dòng)扭矩時(shí)的再生發(fā)電能量，即IGBT開通時(shí)需要將母線這部分能量消耗掉，才能保證母線電壓不繼續(xù)升高Rmax=Vbr^2/(1.3*P)=785*785/15000/1.3=31.6ohm

制動(dòng)電阻阻值范圍

R=15.7ohm~31.6ohm，之后的計(jì)算中我們假設(shè)選定制動(dòng)電阻R=16ohm；

確認(rèn)制動(dòng)電阻的功率

一般變頻器廠商在定義制動(dòng)電阻時(shí)，是針對(duì)確定的制動(dòng)循環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)負(fù)載不同的慣量和制動(dòng)循環(huán)，可以分為一般慣量輕度循環(huán)（比如風(fēng)機(jī)水泵），大慣量中度循環(huán)（比如一般機(jī)械設(shè)備），高慣量重度循環(huán)（比如起重機(jī)）。下面按一般慣量輕度循環(huán)舉例：

在t2的起始點(diǎn)，制動(dòng)電阻峰值功率：

Pmax= 1.3*P*?1*?2=16.24kW;

在整個(gè)T的時(shí)間段，制動(dòng)電阻的平均功率：

Pn= Pmax * t2/T=162400*4/40=16240*0.1=1624W;

綜上變頻器在1.3倍制動(dòng)轉(zhuǎn)矩且10%占空比的輕度循環(huán)下，制動(dòng)電阻的參數(shù)是16ohm/1624W，10%的占空比且最大開通時(shí)間是4秒，用戶可以根據(jù)制動(dòng)電阻供應(yīng)商的產(chǎn)品清單選型，并保證所選電阻的功率至少是理論計(jì)算值的2~3倍。

確定制動(dòng)時(shí)brake IGBT的開關(guān)頻率和占空比

由于Brake IGBT在消耗電機(jī)反饋的能量時(shí)需要不停地開通關(guān)斷，所以必須計(jì)算開關(guān)頻率和占空比確保制動(dòng)電阻能夠消耗電機(jī)反饋的能量，從而保證母線不再上升。由于制動(dòng)時(shí)母線在滯回區(qū)間760~785VDC變動(dòng)，母線變化會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)電流Ibr和回饋充電電流Icharge有小幅變化，但為了方便計(jì)算我們就假定這兩個(gè)值基本維持不變，可得如下：

16ohm制動(dòng)電阻在制動(dòng)時(shí)的IGBT電流Ibr

Ibr=Vbr/R=785/16=49.1A

電機(jī)能量反饋時(shí)的電容充電電流Icharge=1.3*P*?1*?2/Vbr=1.3*15000*0.85*0.98/785=20.69A

Brake IGBT開關(guān)頻率

有了Ibr和Icharge，就可以得到IGBT關(guān)斷時(shí)Δt時(shí)間內(nèi)母線電壓上升值ΔU↑和IGBT開通時(shí)Δt時(shí)間內(nèi)母線電壓下降值ΔU↓：

ΔU↑=Icharge*Δt/C=20.69*Δt/(1660uF*0.000001)=12460*Δt (V)

ΔU↓= (Ibr - Icharge)*Δt/C=(785/16-20.69)*Δt/(1660*0.000001)=17090*Δt (V)

制動(dòng)策略是母線受到電機(jī)再生電能影響，電壓值達(dá)到制動(dòng)閾值785VDC時(shí)開通IGBT，母線電壓開始下降達(dá)到滯回區(qū)間下限760VDC才會(huì)關(guān)斷IGBT，然后母線再次受到電機(jī)再生電能的回饋電壓再次上升，達(dá)到785VDC后再開通IGBT，周而復(fù)始，所以Ton/Toff時(shí)間如下：

IGBT Ton的Vbus下降階段，ΔU↓=785-760即Δt1=25/17090=1.46ms;

IGBT Toff的Vbus上升階段，ΔU↑=785-760即Δt2=25/12460=2ms;

T=Ton+Toff=Δt1+Δt2=1.46+2=3.46ms

Fsw=1/(Ton+Toff)=1/3.46=289Hz

確定Brake IGBT PWM占空比Duty-cycle=Ton/T=1.46/(1.46+2)=42.2%

SemiSel仿真配置

確定開關(guān)頻率、電阻阻值、占空比、開關(guān)頻率后，就可以用賽米控專用的仿真軟件SemiSel進(jìn)行計(jì)算，下面詳細(xì)介紹如何使用SemiSel進(jìn)行仿真

選擇DC/DC中Brake Chopper

選擇extended overload configuration，并且參數(shù)配置如下：

i) t:0~35.999s，Vdc=785VDC，R=16ohm，fsw=289Hz，占空比0；

ii) t：36~40s，Vdc=785VDC，R=16ohm，fsw=289Hz，占空比0.422；

iii) t：40.001s，Vdc=785VDC，R=16ohm，fsw=289Hz，占空比0；

模塊選擇MiniSKiiP35NAB12T4V1

之前假定了散熱器在額定工況下最高為85°C，此處就選擇Fixed heastsink temperature頁(yè)面，并配置溫度為85°C；

IGBT損耗結(jié)果和Tj溫度波動(dòng)

點(diǎn)擊calcuate按鍵后，就會(huì)出現(xiàn)最后的損耗和結(jié)溫的結(jié)果。選取overload頁(yè)面。

IGBT損耗和曲線

從下圖可以得到IGBT的損耗產(chǎn)生在t=36~40s時(shí)間段；隨著結(jié)溫上升損耗也會(huì)同步微幅增加，在t=40s時(shí)的損耗會(huì)達(dá)到最高45W，其中導(dǎo)通損耗43.42W，關(guān)斷損耗1.58W。

IGBT結(jié)溫和曲線

從下圖可以得到IGBT結(jié)溫在36s~40s開始上升，t=40s結(jié)溫最高可以達(dá)到115°C至119°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于運(yùn)行結(jié)溫150°C，同時(shí)我們可以用光標(biāo)移動(dòng)到各個(gè)時(shí)間點(diǎn)就可以得到對(duì)應(yīng)溫度。

總結(jié)

最后再總結(jié)一下，制動(dòng)電阻的計(jì)算主要分為兩部分：首先是根據(jù)廠家定義的制動(dòng)扭矩和制動(dòng)循環(huán)來確定電阻本身的阻值和功率；再根據(jù)選定的阻值使用SemiSel確定IGBT的損耗并確認(rèn)結(jié)溫是否在IGBT允許工作的范圍內(nèi)。用戶可以根據(jù)自身變頻器定義的制動(dòng)工況來選擇相對(duì)應(yīng)的參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)證。

審核編輯 ：李倩