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西門子電機代理
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在電網(wǎng)-變頻器-電機-負載構成的驅動系統(tǒng)中，能量的傳遞是雙向的。電動機工作模式時，電能從電網(wǎng)經由變頻器傳遞到電機，轉換為機械能帶動負載，負載因此具有動能或勢能；當負載釋放這些能量以求改變運動狀態(tài)時，電機被負載所帶動，進入發(fā)電機工作模式，向前級反饋已轉換為電形式的能量，這些能量被稱為再生制動能量，可以通過變頻器返回電網(wǎng)，或者消耗在變頻器系統(tǒng)的制動電阻中。如圖1-1所示。
圖1-1 驅動系統(tǒng)的能量流向
較大制動能量的產生經常出現(xiàn)在下面幾種場合里：
? 起重設備的重物下放過程
? 大慣量負載設備的快速減速過程
? 游梁式抽油機的驢頭下放過程等等。
西門子變頻器MM440由三部分構成，整流部分，直流回路部分，逆變部分。當MM440作為驅動轉換源而處在上述的制動過程時，制動能量將通過其逆變部分返回到直流回路，由于整流部分由不可控的二極管組成，制動能量無法回到電網(wǎng)，造成直流回路電壓泵升，進而導致MM440因直流回路電壓過高（F0002）而停機。為避免上述情形的發(fā)生，MM440 提供了動態(tài)制動功能，即在直流回路上安裝一個制動單元，再配以適當?shù)闹苿与娮瑁瑢⒅苿幽芰吭谠撾娮枭弦詿崮艿男问较?。A-F尺寸的MM440已將制動單元集成在變頻器內部，只需選配制動電阻，安裝在MM440端子B+ B- 上，然后調整相應的參數(shù)即可，而功率相對較大的FX、GX尺寸MM440內部沒有集成制動單元，需要從SIMOVERT MASTERDRIVES的產品目錄里選配相應的制動單元以及制動電阻。
本章將介紹制動能量的簡單計算以及MM440制動單元的基本工作原理，幫助您實現(xiàn)西門子MM440變頻器制動電阻的正確選型。
二 制動能量的簡單計算
? 制動能量的產生
根據(jù)電機理論, 定子中通入同步頻率 ?1的交流電流, 在氣隙中產生順時針旋轉磁場作用在轉子上，相當于轉子繞組逆時針運動切割旋轉磁場，轉子回路因而感應出電流產生旋轉力矩M，方向如圖2-1中a所示。經過負載的平衡，轉子以 (1-s) ?1的速度穩(wěn)定旋轉，轉子繞組仍然逆時針以s?1的速度切割旋轉磁場。電機工作在電動機模式下, P = M?Ω>0, 即運行在*象限。
在需要變頻器快速制動負載的情況下，變頻器通入電機定子中的電流頻率突降為?1′ （?1′ <?1), 由于驅動負載存在慣性，轉子的轉速不能突降，而是仍然維持在原轉速上，導致轉子繞組切割旋轉磁場的方向改變，轉子電流方向以及電磁力矩方向也因此發(fā)生改變，如圖2-1中b所示，電機工作在發(fā)電機模式下, 開始運行在第二象限，P=(-M)?Ω<0, 再生制動能量產生。 如果電機被負載拖動，轉子轉速超過變頻器輸入的同步轉速，同樣會有上述的現(xiàn)象發(fā)生。
a) 正向運行時 b) 轉子轉速大于同步轉速時
c) 轉子旋轉方向改變時 d) 電機四象限圖
圖2-1 制動能量產生時的電機狀態(tài)
在驅動系統(tǒng)下放重物的過程中，轉子繞組仍然保持逆時針運動切割旋轉磁場，轉子電流以及旋轉力矩方向不變，但是由于切割速度過快，轉子電流產生的祛磁磁場將能量返回了定子側，電機工作在發(fā)電機模式下, 開始運行在第四象限，如圖2-1中 c 所示，P=M?（-Ω）<0, 再生制動能量產生。
? 制動能量的簡單計算
例1 某客戶將MM440 應用在升降驅動設備上，并要求在6.25秒內以0.4m/s的速度下 放500kg的重物,每30s重復一次該過程，應當如何計算制動功率？
重物的勢能為： A= m x g x h =500kg x 9.81 x (0.4m/s x 6.25s)=12263J
大 功率為： P brake Appl max = A/s = 12263J/6.25s = 1962W
平均 功率為： P brake Appl average = 1962W x 6.25s / 30s= 392.4W
例2 某驅動負載需要從2900RPM的速度降至為0，其驅動數(shù)據(jù)見表1，如何計算反饋回變頻器直流側的制動能量？
電動機額定功率 Pmotor N=5.5 KW
電動機效率 ?motor =0.865
電動機額定轉速 N motor N= 2925 RPM
電動機轉動慣量 J motor =0.015kgm2
負載轉動慣量 J load =0.4 kgm2
電動機高運行轉速 nmax =2900RPM
制動時間 t brake appl =5s
負載工作周期 t cycle appl =15s
產生的制動轉矩：
一個周期內產生的大制動功率：
一個周期內的總制動能量：
一個周期內的平均制動功率：
三 MM440 制動單元的基本工作原理
? 制動單元激活電壓與直流回路故障電壓
按照上述的計算方法得出的再生制動能量將反饋到變頻器的內部，造成直流回路上電壓泵升。為了避免變頻器因直流回路過電壓F0002而跳閘，當電壓上升到臨界點 UDC chopper 時，制動單元就被激活，并按照預先規(guī)定的負載工作周期將制動能量消耗在外接制動電阻上，拉動直流回路電壓下降。如果制動能量過大，未能在規(guī)定時間內得到散逸，那么直流回路電壓將繼續(xù)上升，直到F0002跳閘。如圖3-1所示。
圖3-1直流回路電壓的上升過程
| 制動單元觸發(fā)臨界電壓 UDC chopper有兩種算法，采用哪一種，則取決于MM440 參數(shù)P1254 | 若P1254=0 | 1.13 x  x P0210 |
| 若P1254=1 | 0.98 x r1242 |
表3-1 激活動態(tài)制動功能的直流回路電壓值
? 制動單元動作過程
MM440變頻器制動單元的核心是一個門限電壓控制斬波器（IGBT transistor），當它導通時再生制動能量被外接制動電阻吸收，轉化成熱能得以釋放。斬波器的工作頻率 f chopper為2KHz，占控比 t chopper on 由變頻器內部的監(jiān)控系統(tǒng)決定。如圖3-2所示。
圖3-2 動態(tài)制動的操作方式
當再生制動能量迫使直流回路電壓達到UDC chopper時，制動單元自動投入運行，由監(jiān)控系統(tǒng)為斬波器選擇適當?shù)恼伎乇?，制動能量被制動電阻吸收?/p>
? 如果制動能量少于在制動電阻上消耗的能量( P brake resistor=VDC2 / Rmin) ，那么直流回路電壓會很快下降到UDC chopper之下，制動單元會在開通2ms之后自動關閉，占控比的選擇在通路1上完成。 若直流回路電壓再次達到UDC chopper，該過程將被重復。
? 如果制動能量多于此時在制動電阻上消耗的能量，那么盡管制動自動已經投入運行，直流回路電壓仍然會繼續(xù)上升，由監(jiān)控系統(tǒng)選擇的占控比也快速線性增加，直到占控比為1（通道1），斬波器持續(xù)開通，制動電阻在此其間持續(xù)吸收制動能量。為了保護此時的制動電阻不會因吸收了過多能量而過熱損壞，必須事先根據(jù)制動電阻的制動能力選擇適當?shù)某掷m(xù)工作時限 t chopper on。當持續(xù)工作時限達到時，切換到通道2，占控比自動被修正為P1237中設定的值以減少制動能量進入制動電阻，令其有充分的時間冷卻，此時直流回路電壓將有所回升。其過程如圖3-3所示?？梢?，如果電阻值選擇的太小，或者P1237 的值選擇不當，會造成制動能量因吸收不凈而導致的直流回路電壓繼續(xù)上升，而制動電阻會因過熱而損壞。
MM440制動單元的斬波器為通道2規(guī)定了5種占控比，即負載工作周期，由參數(shù)P1237 來選擇 。列表3-2如下。
| P1237 | t chopper on (斬波器占控比為1的長時間) | P brake resistor average | |
| 0 | 0% | 動態(tài)制動未激活 | 0 |
| 1 | 5% | 12.0s | 0.05 P brake Appl max |
| 2 | 10% | 12.6s | 0.1 P brake Appl max |
| 3 | 20% | 14.2s | 0.2 P brake Appl max |
| 4 | 50% | 22.8s | 0.5 P brake Appl max |
| 5 | 100% | 在制動單元激活狀態(tài)下始終開通 | 1 P brake Appl max |
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表3-2 MM440的負載工作周期
四 制動電阻的計算以及選型
? 西門子制動電阻的說明
西門子MICROMASTER 變頻器產品樣本DA51.2 中列出的制動電阻只是按照P1237=1即5%的工作負載周期來進行設計的。例如： 訂貨號為6SE6400-4BC05-0AA0的制動電阻，小阻值為180?，可以承受大直流回路電壓為420V ，因此該制動電阻可在12秒內連續(xù)開通，吸收 Pbrake resistor max = U dc max 2 /R min =980W的大制動功率。12秒后，僅能承擔5%的大制動功率，即約50W 的連續(xù)導通功率，直到240秒后制動電阻得到充分的冷卻，方可再次承擔12秒的大制動功率。
? 制動電阻的選擇與校驗
為MM440變頻器配置制動電阻，需要滿足二個條件：
1) 制動電阻大功率 P brake resistor max >= 大制動功率P brake Appl max
2) 負載工作周期內的制動電阻連續(xù)功率 P brake resistor average >=
制動周期內的平均制動功率 P brake Appl average
下面舉例說明如何選擇制動電阻, 請回顧第二節(jié)中的例2，為5.5KW 、3~380-480V的MM440配置制動電阻，按照樣本DA51.2初選6SE6400-4BD16-5CA0
一個制動周期內產生的大制動功率： P brake Appl max = 6.6kW
制動電阻可以承受的大制動功率： P brake resistor max =12.6 kW
P brake Appl max < P brake resistor max *個條件滿足
一個制動周期內的平均制動功率： P brake Appl average =1.1kW
負載工作周期內的制動電阻連續(xù)功率： P brake resistor average = 0.65 kW
P brake Appl average > P brake resistor average第二個條件不滿足
表明該制動電阻沒有足夠的容量接受1.1kW的制動能量。在此，可以提出兩個解決方案：
1）采用四個該型號電阻，兩并兩串地接入，見圖3-4。總的制動阻值并未改變，因而能夠承受的大制動功率 P brake max = U dc max 2 /R min 也未改變。 但是負載工作周期內的制動電阻連續(xù)功率卻提高了4倍，
P brake resistor average = 0.65kW × 4 = 2.6kW。此時P1237 必須放開限制，設置為3，即負載工作周期為20%。
圖3-4 制動電阻的接入方法
3) 選擇其他型號大容量的制動電阻，例如采用MASTERDRIVES 產品系列中訂貨號為6SE7018-0ES87-2DC0的制動電阻，其阻值為80?， 因此能夠承受的大制動功率P brake max =U dc max 2 /R min =8.82kW，
P brake Appl max < P brake resistor max *個條件滿足
因為MASTERDRIVES 產品系列的制動電阻均是按照20%的負載工作周期制定的，因此需要將P1237設置3，P brake resistor average =8.82kW×0.2=1.764kW
P brake Appl average < P brake resistor average第二個條件滿足
? FX-GX 制動單元與制動電阻選擇
在MICROMASTER DRIVES系列中，僅在外形尺寸為A-F的MM440里集成了制動單元，只需再選擇一個適當?shù)耐饨又苿与娮杓纯伞Ｍ庑纬叽鐬镕X 、GX的MM440因為功率相對較大，不再在內部集成制動單元，而是需要采用MASTERDRIVES系列中的外接制動單元以及制動電阻。其選擇方法參見MASTERDRIVES產品樣本。
? MM440 中相關動態(tài)制動的必要參數(shù)設置
P1233=0 禁止直流制動
P1234=0 禁止復合制動
P1240=0 禁止直流電壓控制器功能
P1254=0或1 選擇 UDC chopper的計算方法
P1237>0 使能動態(tài)制動功能
一、 S7-200與6SE70裝置連接
1． 系統(tǒng)要求
? 安裝MicroWin software（V4.0或以上）以及 USS協(xié)議庫（V2.0以上）
? PC/PPI電纜、S7-200（如CPU 226XM）、電源模塊、通信電纜
? 6SE70驅動裝置及一臺PC機
2． 在使用MicroWin software 創(chuàng)建項目之前，先檢查USS protocol協(xié)議是否被正確安裝，此協(xié)議庫需要單獨購買：
3．我們需要創(chuàng)建一個簡單的例程：
? *步：設置通訊接口
? 第二步：建立PC與S2-200之間連接（注意：PC通過PC/PPI電纜與S7-200PORT1口連接；）
? 第三步：用串口電纜將S7-200PORT0端口與6SE70的X103或X300端口相連（注意：端口連接的規(guī)則是3對3、8對8）
? 第四步：使用USS協(xié)議的初始化模塊初始化S7-200的PORT0端口
二進制值2#1000 0000 0000表示要初始化USS地址11的6SE70驅動裝置，波特率為9600，此波特率要與PC/PPI電纜設置的相同，詳細情況請參看USS_INIT的幫助文件；此外我們還需要在6SE70裝置上設置相應的參數(shù)。
表一：
| 參數(shù) | USS/SCom1(X300) | USS/SCom2（X103） |
| P053 | 7 | 23 |
| P700 | P700.1=11 | P700.2=11 |
| P701 | P701.1=6 | P701.2=6 |
| P702 | P702,1=127 | P702.2=127 |
| P703 | P703,1=2 | P703.2=2 |
| P704 | P704.1=0 | P704.2=0 |
| P443 | P443.1=2002 | P443.1=6002 |
| P554 | P554.1=2100 | P554.1=6100 |
? 第五步：使用USS_CTRL模塊來控制USS地址11的6SE70裝置，為了運行6SE70需要按照表一設置參數(shù)
? 第六步：在編譯程序之前，選擇 Program Block -> Library then right mouse click: select Library Memeory. 在點擊Suggested Address選擇V存儲區(qū)的地址后點擊 “OK”退出，如下圖所示：
? 第七步：編譯程序并下載到S7-200，將RUN位置1，并在狀態(tài)表中輸入速度給定，這樣6SE70變頻器就可以運行起來了，如下圖狀態(tài)表所示：（注意：由于MM440和6SE70的工作方式和控制字的定義并不*相同，所以你需要將OFF2、OFF3、F_ACK命令位連接到6SE70相應的參數(shù)，它們才能起作用；此外，由于控制字的定義不相同，DIR方向控制位并不能起到方向控制的作用；詳細情況請參看USS_CTRL的幫助文件及6SE70控制字的定義）
4. 讀寫O2類型參數(shù)：如讀寫參數(shù)P100，使用USS_RPM_W和USS_WPM_W（這兩個功能塊用來讀寫16位無符號整數(shù)）
? 讀參數(shù)P100，其數(shù)據(jù)類型為O2，表示16位無符號整數(shù)；其程序塊如下圖所示：
在運行此程序塊的情況下，只要給S7-200的I0.3置一個上升沿，就可以完成一次對參數(shù)P100的讀操作，讀入的值被保存到R_P100。需要特別注意的是USS_RPM_W的INDEX值必須置1，因為MM440默認的是PXXXX.0參數(shù)組,而6SE70默認的是PXXX.1參數(shù)組
? 寫參數(shù)P100，其程序塊如下圖所示：
在運行此程序塊的情況下，只要給S7-200的I0.4置一個上升沿，就可以完成一次對參數(shù)P100的寫操作，將W_P100中保存的值寫入到參數(shù)P100。USS_WPM_W的EEPROM是邏輯“0”時，寫入的值只被保存到6SE70的RAM中，當EEPROM是邏輯“1”時，寫入的值同時被保存到6SE70的RAM和EEPROM中，但向EEPROM中寫數(shù)據(jù)是有次數(shù)限制，多不要超過50000次
5. 讀寫I4類型參數(shù)：如讀寫參數(shù)P401，使用USS_RPM_D和USS_WPM_D（這兩個功能塊用來讀寫32位無符號整數(shù)）
? 讀參數(shù)P401，其數(shù)據(jù)類型為I4，表示32位有符號整數(shù)；其程序塊如下圖所示：
在運行此程序塊的情況下，只要給S7-200的I1.3置一個上升沿，就可以完成一次對參數(shù)P401的讀操作，讀入的值被保存到R_P401。需要特別注意的是USS_RPM_W的INDEX值必須置1，因為MM440默認的是PXXXX.0參數(shù)組,而6SE70默認的是PXXX.1參數(shù)組
? 寫參數(shù)P401，其程序塊如下圖所示：
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