變頻器設計，剎車電阻如何選？Chopper結溫如何評估？

前言

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

具體到制動電阻的選型，它既關系到電阻本身的阻值和功率，又關系到Brake IGBT的結溫等性能的計算，下面就為大家做詳細解釋。

模塊介紹

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

變頻驅動系統參數

制動電阻選型是一套驅動系統的一部分，所以它和配套的電機、變頻器本身的硬件和軟件都會有關，所以在確定制動電阻前，需要先假設一些條件如下：

目前380V電壓等級的變頻器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，理論母線電壓可以最高達到800VDC，假定制動IGBT開通的母線閾值為Vbr=785V(DC)，制動時滯回區間為760~785VDC;

變頻器額定工作時，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個串聯，共4組，等效容值1660uF；

假定電機效率為?1=85%，逆變器效率為?2=98%；

假定制動時刻的制動能力是1.3倍的制動轉矩;

確定制動電阻Max/Min value

制動電阻阻值Rmin：

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

制動電阻阻值Rmax：

由于制動時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，它應該不小于最大制動扭矩時的再生發電能量，即IGBT開通時需要將母線這部分能量消耗掉，才能保證母線電壓不繼續升高Rmax=Vbr^2/(1.3*P)=785*785/15000/1.3=31.6ohm

制動電阻阻值范圍

R=15.7ohm~31.6ohm，之后的計算中我們假設選定制動電阻R=16ohm；

確認制動電阻的功率

一般變頻器廠商在定義制動電阻時，是針對確定的制動循環進行設計。根據負載不同的慣量和制動循環，可以分為一般慣量輕度循環（比如風機水泵），大慣量中度循環（比如一般機械設備），高慣量重度循環（比如起重機）。下面按一般慣量輕度循環舉例：

在t2的起始點，制動電阻峰值功率：

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

在整個T的時間段，制動電阻的平均功率：

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

綜上變頻器在1.3倍制動轉矩且10%占空比的輕度循環下，制動電阻的參數是16ohm/1624W，10%的占空比且最大開通時間是4秒，用戶可以根據制動電阻供應商的產品清單選型，并保證所選電阻的功率至少是理論計算值的2~3倍。

確定制動時brake IGBT的開關頻率和占空比

由于Brake IGBT在消耗電機反饋的能量時需要不停地開通關斷，所以必須計算開關頻率和占空比確保制動電阻能夠消耗電機反饋的能量，從而保證母線不再上升。由于制動時母線在滯回區間760~785VDC變動，母線變化會導致制動電流Ibr和回饋充電電流Icharge有小幅變化，但為了方便計算我們就假定這兩個值基本維持不變，可得如下：

16ohm制動電阻在制動時的IGBT電流Ibr

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

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

Brake IGBT開關頻率

有了Ibr和Icharge，就可以得到IGBT關斷時Δt時間內母線電壓上升值ΔU↑和IGBT開通時Δt時間內母線電壓下降值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)

制動策略是母線受到電機再生電能影響，電壓值達到制動閾值785VDC時開通IGBT，母線電壓開始下降達到滯回區間下限760VDC才會關斷IGBT，然后母線再次受到電機再生電能的回饋電壓再次上升，達到785VDC后再開通IGBT，周而復始，所以Ton/Toff時間如下：

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

確定開關頻率、電阻阻值、占空比、開關頻率后，就可以用賽米控專用的仿真軟件SemiSel進行計算，下面詳細介紹如何使用SemiSel進行仿真

選擇DC/DC中Brake Chopper

選擇extended overload configuration，并且參數配置如下：

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頁面，并配置溫度為85°C；

IGBT損耗結果和Tj溫度波動

點擊calcuate按鍵后，就會出現最后的損耗和結溫的結果。選取overload頁面。

IGBT損耗和曲線

從下圖可以得到IGBT的損耗產生在t=36~40s時間段；隨著結溫上升損耗也會同步微幅增加，在t=40s時的損耗會達到最高45W，其中導通損耗43.42W，關斷損耗1.58W。

IGBT結溫和曲線

從下圖可以得到IGBT結溫在36s~40s開始上升，t=40s結溫最高可以達到115°C至119°C，遠遠小于運行結溫150°C，同時我們可以用光標移動到各個時間點就可以得到對應溫度。

總結

最后再總結一下，制動電阻的計算主要分為兩部分：首先是根據廠家定義的制動扭矩和制動循環來確定電阻本身的阻值和功率；再根據選定的阻值使用SemiSel確定IGBT的損耗并確認結溫是否在IGBT允許工作的范圍內。用戶可以根據自身變頻器定義的制動工況來選擇相對應的參數來進行計算和驗證。

審核編輯 ：李倩