了解变频器的制动理论

一、为什么变频器需要制动？

电机在运行（尤其是高速旋转、大惯量负载）时具有动能。当变频器要求电机减速或快速停机时，这些动能不会自动消失，而会 反向流入变频器的直流母线（DC Bus），导致母线电压升高。

若不处理这些能量，直流母线电压会超过限值（如650–800V DC），造成：

变频器过压跳闸
器件损坏
停机事故

因此必须采用 制动方式，让电机在可控、受保护的状态下减速。

二、变频器的制动基本物理原理

1. 逆功率原理（回馈能量）

当电机驱动负载时：

电机吸收电能 → 输出机械能（正向功率）

当需要减速时：

负载驱动电机 → 电机反向发电 → 动能变为电能回馈

此时电机成为 发电机。

发出的能量被送回变频器直流母线，使 DC Bus 电压升高。

2. 母线电压提升的本质机制

变频器的直流电压一般是：

380V 三相输入 → DC Bus ≈ 540V
当电机发电 → DC Bus 上升到约 700V（取决于型号）

当母线电压超过变频器的保护值，如 约 750V 时，变频器会报警或跳闸。

因此制动理论的核心是：

如何处理电机反送的电能，使母线电压维持安全水平。

三、变频器的主要制动方式

1. 能耗制动（最常用）

能量吸收方式：耗散

特点：简单、经济、要求制动电阻

原理：

当母线电压上升时，制动单元（或内置晶体管）动作，将过高电压转移到 电阻（BR） 上，将能量转化为热能消耗。

流程：

电机发电 → DC Bus 升压
制动单元检测到电压超过阈值（如 700V）
IGBT 开通 → 动能流向制动电阻
电阻发热，能量被消耗
母线电压被保持在合理范围

优点

成本低
控制简单
几乎所有变频器都支持

缺点

热损耗大
不节能（能量浪费）
制动频繁时电阻发热可能成为隐患

2. 回馈制动（能量再生型：AFE 或回馈单元）

能量处理方式：回送电网

特点：节能型、成本高

原理：

利用功率单元（AFE 或回馈模块）将 DC Bus 多余能量 逆变成交流电 并送回电网。

优势：

节能显著（适用于提升类、离心类、大惯量系统）
发热少，允许频繁制动

缺点：

成本高
要求电网条件良好

3. DC 制动（直流制动）

能量处理方式：不处理能量，直接锁住电机

目的：停止时快速抱死电机，以提高停车精度

原理：

在低频或停止时，向定子绕组施加直流电流 → 在电机中产生静止磁场 → 转子被磁场“吸住”。

特点：

适用于定位、停车固定（锯床、卷扬机）
不能快速减速，只能辅助停车

4. 逆变制动 / 反接制动（较少在VFD系统中使用）

通过反转力矩产生制动力

但变频器一般不采用，因为会造成巨大电流冲击。

四、变频减速时的数学关系

1. 制动扭矩与电机速度关系

制动扭矩与电机发电电势成正比：

因此：

高速时制动更强
低速时反电动势下降 → 制动效果差

→ 所以变频器常采用：

高速快速制动 + 低速直流制动

2. 母线电压的基本公式

三相整流桥的输出电压（理论值）：

V_dc=1.35*V_LL

380V 系统：

V_dc1.35*380V513V

制动时，若反电势高于整流电压，母线电压会上升到：

600–800V 区间

这是变频器过压跳闸的主要原因。

五、能耗制动系统设计重点

设计要点包括：

1. 制动电阻 R 的选择

基于变频器允许的制动晶体管最大电流 I_max

R_min= V_dc/ I_max

不允许低于R_min，否则会烧毁 IGBT。

2. 制动电阻的功率 P 的选择

由系统的制动能量决定：

E=1/2Jω²

制动功率必须满足：

P_R=E/t_brake X

工程经验值：

小系统：电阻功率 = 电机功率的 10–20%
大惯量系统：40–80%

3. 制动单元是否外置判断

需要外制动单元的情况：

大惯量负载（风机、离心机）
快速停车需求
频繁制动（电梯、起重机）

六、例子：为什么加减速时间太短会“过压跳闸”？

当减速时间设得太短时：

变频器输出频率迅速下降
电机机械惯性导致实际速度来不及降
电机变成发电机，将能量回送
DC Bus 电压上升到保护值（如 760V）
变频器马上跳过压

解决办法：

延长减速时间
加制动电阻
使用能量回馈单元

七、不同负载下制动策略建议

负载类型	特性	推荐制动方式
风机/泵（惯量大）	回馈能量大	能耗制动 or 回馈制动
起重机、电梯	频繁制动、能量大	回馈制动（AFE）
切割机、锯床	定位要求高	直流制动 + 能耗制动
输送带	常规	适度能耗制动
离心机	停车惯性巨大	大功率能耗电阻

八、总结

变频器制动的本质：

电机在减速时发电 → 直流母线升压 → 必须消能或回馈。

三大核心制动技术：

能耗制动：用电阻烧掉能量（最常用）
回馈制动：能量送回电网（节能、高级）
DC 制动：磁锁停止位置（不是快速减速）

关键公式：

制动能量 = ½ Jω²
电阻最小值 = Vdc / Imax

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