для чего нужен тормозной резистор в преобразователе частоты
Как подобрать тормозной резистор для преобразователя частоты
Приводы кранов, конвейеров и другого промышленного оборудования, работающего в повторно-кратковременных режимах с частыми включениями, отключениями и реверсами, оснащают тормозными устройствами, которые обеспечивают быструю остановку электродвигателя. Для этого используются электродинамический и механический метод.
Электродинамическое торможение достигается:
В обоих случаях на валу электродвигателя возникает отрицательный момент, обеспечивающий быструю остановку. Это необходимо для инерционных механизмов с высокой нагрузкой.
Электродинамическое торможение при помощи ПЧ
Большинство частотно-регулируемых приводов обеспечивают динамическое торможение асинхронного электродвигателя. При помощи ПЧ можно реализовать схемы торможения постоянным током и противовключением.
Электродинамическое торможение обладает следующими преимуществами:
При принудительной остановке электродвигателя, электроэнергия рассеивается в цепи, вызывая избыточный нагрев и срабатывание тепловой защиты. Для того чтобы избежать этого, применяют тормозные резисторы, обеспечивающие падение генерируемого напряжения и эффективное рассеивание тепла.
Электродинамическое торможение без дополнительных сопротивлений возможно для оборудования с нечастыми пусками, реверсами и остановками. Для грузоподъемных механизмов, рольтангов, лифтов необходим тормозной резистор.
Частотные преобразователи Данфосс с функцией динамического торможения комплектуются встроенным модулем Brake Choppe. Это устройство представляет собой электронный ключ на транзисторах IGBT, встроенный в звено постоянного тока. Возможна также опциональная комплектация этим блоком. Подключение тормозного резистора без прерывателя недопустимо.
Выбор тормозного резистора
Характеристики резисторов должны отвечать параметрам электропривода, типу частотного преобразователя, режимам пуска и эксплуатации двигателя. Компания Данфосс выпускает широкий модельный ряд добавочных сопротивлений для приводов разной мощности и марок. Тормозные резисторы выбирают:
Расчет характеристик делается по специальной методике на стадии проектирования привода или при его модернизации.
Расчет тормозного резистора
Исходными данными для вычисления параметров тормозных резисторов служат номинальное напряжение, мощность и частота вращения электродвигателя, момент инерции на валу, время остановки и т.д.
Расчет делается в несколько этапов:
Где n1, n2 начальная и конечная скорость замедления, J – сумма все моментов инерции на валу, t – проектное время замедления.
где n1, n2 начальная и конечная скорость замедления, t – проектное время замедления, М- максимальный момент торможения.
где U – напряжение звена постоянного тока, Р – электрическая мощность торможения.
При расчете также учитывается коэффициент уменьшения нагрузки, который зависит от мощности привода, к.п.д. редуктора. Если передаточный механизм не включен в состав электропривода, значение к.п.д. редуктора принимается равным единице.
При необходимости управления торможением без добавочного сопротивления, при программировании ПЧ указываем отсутствие тормозного резистора или выбираем торможение противовключением на низкой частоте.
Компания Данфосс выпускает резисторы с рабочим циклом от 10% до 40%, класса пылевлагозащищенности IP20, IP65. Мощные устройства комплектуют термодатчиками и устройствами защиты от перегрева.
Расчет и выбор тормозного резистора для частотного преобразователя
Тормозной резистор применяется для быстрого понижения скорости или торможения двигателя, особенно, если двигатель работает с большим инерционным моментом.
При торможении асинхронный двигатель работает в режиме генератора, его отдаваемая электрическая энергия способна вызвать перенапряжение в сети постоянного тока, для гашения этого эффекта применяют тормозные резисторы.
Что такое динамическое торможение частотного преобразователя
Для обеспечения безопасной остановки электродвигателя в конструкции преобразователя частоты предусмотрен режим торможения. Например, в преобразователях частоты с АИН (автономным инвертором напряжения) присутствует возможность торможения электродвигателя постоянным током, который поступает в статорную обмотку.
Если выпрямитель не реверсивный, существует режим динамического торможения частотного преобразователя с введением резистора в цепь статора двигателя. Динамическое торможение частотного преобразователя с использованием тормозных резисторов позволяет при понижении энергопотребления уменьшить нагрев электродвигателя. Благодаря динамическому регулируемому торможению инвертор становится полностью управляемым устройством.
Рис. №1. Тормозной резистор РБ4
Возможность использования торможения постоянным током накладывает на преобразователь частоты некоторые ограничения. Так, его можно использовать только в установках с нечастым режимом торможения и только в тех случаях, когда отсутствует нагрузка, способная перевести электрический двигатель в генераторный режим, при котором велика вероятность перегрева двигателя и аварийное отключение.
Динамическое торможение при изменении сопротивления добавочных тормозных резисторов позволяет получить различные желаемые искусственные характеристики электродвигателя.
Тормозные прерыватели и тормозные резисторы, незаменимые компоненты частотного преобразователя
Преобразователь частоты не использующий добавочное устройство для торможения обладает тормозным моментом, который равен 30% от номинального.
Тормозные прерыватели и тормозные резисторы, составляющие элементы дополнительного тормозного устройства. Тормозной прерыватель, как правило, встроенного типа, тормозной резистор относится к внешним компонентам.
Тормозной резистор легкой категории (LD) служит для облегчения режимов торможения и обеспечивает момент торможения, который равен номинальному и длится 5 сек при выполнении торможения до нулевой скорости.
Рис. №2. Пожаростойкий проволочный тормозной резистор 80 Ом, 1000Вт, большой мощности и с малым сопротивлением
Тяжелый режим работы имеет свои, предназначенные для этого резисторы типа HD. Они служат для создания тормозного момента, равного номинальному при скорости номинального значения 3 сек + 7сек, при включении торможения к нулю.
Рабочий цикл для этих режимов происходит не чаще, чем 1 раз в течение 2 мин. Резисторы HD изготавливают из стали, резисторы малой мощности выполняются из алюминиевого профиля. Резисторы с большой мощностью оборудованы термисторами и включают в комплект тепловой ключ с температурой расцепления до 220 о С.
Пример тормозных резисторов преобразователя частоты ОВЕН
Примером тормозных резисторов служат балластные резисторы, подключаемые с помощью встроенных тормозных ключей. Хороший пример – это тормозные резисторы ОВЕН РБх.
Их краткое описание.
Они считаются обязательной опцией в конструкции частотного преобразователя, предусмотренного для работы с подъемно-транспортными машинами (транспортеры или подъемники), с высокоинерционными механизмами, например: дымососами, рольтангами или тягодутьевым оборудованием. Подобные ПЧ применяются для станочного оборудования различных типов, пример: токарные станки, шлифовальные или сверлильные. Резистор РБ2, РБ3, РБ4 отличают следующие достоинства
Устройство представляет собой проволочную конструкцию с основанием из керамического или алюминиевого корпуса. Существует два типа резисторов, рассчитанных на 80 Ом, 1 кВт и на 400 Ом, 200 кВт. Резисторы, используемые в Пч, могут быть одного типа, или может быть использована группа резисторов, подключенных параллельно. Резисторы промышленного использования обладают степенью защиты IP54 и IP20.
Рис. №3. Основные технические параметры тормозных резисторов ОВЕН РБх
Рис. №4. Схема подключения тормозных резисторов к преобразователю частоты
Как подобрать тормозной резистор?
Выбор тормозных резисторов зависит от номинала по мощности преобразователя частоты. Для всех номиналов существует возможность работы в тяжелом режиме. Наиболее часто такие преобразователи работают в грузоподъемных машинах и оборудовании (40%). Важно учитывать и легкий режим работы (10%), он характерен для конвейеров или дымососов.
В тяжелом режиме работают резисторы РБ2 и РБ4.
Выбор тормозных резисторов осуществляется с помощью расчета или с использованием табличных значений.
Расчет тормозного резистора
Расчет и изготовление тормозного резистора частотника зависит от использования алгоритма, зависящего от максимального момента торможения Мторм.Момент зависит от следующих характеристик:
Формула (1) максимального момента торможения
Формула (2) максимальной мощности торможения
Формула (3) максимальной электрической мощности торможения.
Рис. № 5. Таблица формул расчета тормозного резистора
Коэффициент снижения нагрузки торможения зависит от мощности привода и находится по таблице.
Рис. №6. Выбор коэффициента уменьшения нагрузки торможения
Важно: во время работы электродвигателя в комплектации с редуктором учитывается КПД редуктора. В случае отсутствия редуктора КПД равно единице.
Что делать, когда резистора нет
Частотник и тормозной резистор – обязательная конструктивная комплектация привода, но может оказаться, что резистор отсутствует. Что делать, когда резистора нет?
В этом случае привод включается в работу в зависимости от следующего алгоритма действий:
Использование тормозных резисторов с частотниками
При работе преобразователя частоты для остановки электродвигателя используются два режима: режим выбега (двигатель останавливается по инерции) и режим торможения с управляемым временем замедления.
Режим остановки на выбеге
Остановка на свободном выбеге означает, что при подаче команды STOP выходы преобразователя отключаются от двигателя, и его ротор вращается по инерции. Время торможения при этом будет неопределенным, зависящим только от инерционных свойств нагрузки. Этот режим выбирается, когда нагрузка имеет большой момент инерции, а время торможения не критично.
Режимы остановки с замедлением
При остановке электродвигателя в режиме торможения время замедления задается пользователем в настройках частотного преобразователя, и может быть как больше, так и меньше времени остановки на выбеге.
В режиме с относительно большим временем замедления выходная частота преобразователя плавно уменьшается до заданной минимальной, затем напряжение с двигателя снимается. Фактически происходит не торможение, а плавное понижение оборотов двигателя.
При уменьшении времени замедления двигатель может переходить в генераторный режим с накоплением излишней энергии в звене постоянного тока ПЧ. Это происходит не только при замедлении, но и при отрицательном крутящем моменте, когда двигатель поддерживает заданную скорость, а нагрузка пытается ее увеличить.
Напряжение в звене постоянного тока может превышать допустимые значения в определенных пределах. В подобных случаях нужно либо увеличить время торможения, либо использовать тормозной резистор.
На тормозном резисторе выделяется мощность, которую нагрузка передает через двигатель в преобразователь частоты при быстром снижении скорости или остановке. Резистор используется вместе со специальной схемой управления – тормозным модулем. Модели ПЧ низкой мощности оснащаются встроенным модулем. В этом случае в преобразователе есть клеммы «+» и «PB», к которым непосредственно подключается тормозной резистор, как показано на схеме ниже.
При мощностях более 18,5 кВт и в дешевых моделях тормозной модуль, как правило, является выносным устройством и покупается отдельно. Подключение производится к клеммам преобразователя «+» и «-». Модуль содержит пороговое устройство и мощный ключевой транзистор. Когда напряжение превышает допустимое, транзистор открывается, и напряжение прикладывается к тормозному резистору.
Модель тормозного модуля и номинал резистора выбираются в соответствии с рекомендациями производителя, исходя из мощности ПЧ и условий его работы. Также при проектировании и эксплуатации оборудования нужно учитывать, что резистор может значительно нагреваться в процессе работы.
Частотник без тормозного резистора
В некоторых моделях частотных преобразователей предусмотрена функция ограничения перенапряжения на шине постоянного тока. Тормозной резистор в таком случае не используется, при этом автоматически поддерживается максимальный тормозной момент, а время замедления может быть минимальным для данной нагрузки.
Без тормозного резистора можно обойтись еще в одном случае. Если в оборудовании используется несколько преобразователей частоты с одинаковым напряжением шины постоянного тока, их шины можно объединять. В результате ПЧ могут взаимно поглощать излишнее напряжение при торможении.
В завершение упомянем о других режимах торможения:
Тормозной резистор. Принцип действия
В момент торможения асинхронного двигателя происходит передача энергии обратно в частотный преобразователь, который работает в режиме генератора. В результате чего, в цепях постоянного тока наблюдаются завышенные показатели. Частотный преобразователь (ЧП) старается вернуть его в нормальное состояние (снизить), увеличивая частоту на выходе, вследствие чего происходит уменьшение скольжения двигателя.
Если двигатель испытывает невысокие неинерционные нагрузки, торможение происходит за счет потерь самого двигателя, работающего с мощностью, приближенной к 20% от номинальной. Это 
подходит лишь в том случае, когда работают с небольшой кинетической энергией и время торможения не имеет особого значения (не критично).
Для экстренного (быстрого) торможения принято использовать тормозной резистор – специальное устройство:
· обеспечивающее постоянное потребление энергии торможения, которая исходит от двигателя;
· рассеивающее энергию торможения, которая преобразуется в тепловую энергию.
Данный режим наблюдается тогда, когда снижается частота вращения вала, для которого характерна инерционная нагрузка. Подобным образом работает вентиляционное, конвейерное и крановое оборудование.
Если же уменьшение общей частоты вращения двигателя происходит намного медленнее, чем снижение частоты на преобразователе, то устройство постепенно переходит в так называемый генераторный режим. Для него характерно энергия вращения двигателя (механическая) преобразовывается в электрическую энергию. Полученная электроэнергия, попадая в одно из звеньев постоянного тока ЧП, начинает накапливаться в специальных конденсаторах, напряжение которых постепенно растет. Важно понимать, что подобное увеличение напряжения в определенный момент может спровоцировать как пробой конденсатора, так и его полное разрушение.
Решить возникшую проблему поможет установка специального элемента (выпрямителя) в конструкцию частотного преобразователя. При этом наблюдается процесс рекуперации, при котором вся энергия передается в питающую сеть. Но, стоимость такого оборудования существенно увеличивается (примерно на порядок).
Бывают такие частотные преобразователи, в которых предусмотрено использование единой (общей) шины постоянного тока, что позволяет передавать энергию другим приводам, работа которых основывается на двигательном режиме. Хотя очень сложно, а иногда и невозможно, добиться нормальной работы приводов (двигателя), один из которых работает в двигательном режиме, а другой – в режиме торможения.
Именно поэтому предпочтительней оказывается использование специальных тормозных резисторов, если в процессе эксплуатации предполагается накопление энергии торможения (возникает тормозной режим).
Определение минимального значения сопротивления такого резистора (тормозного) зависит от значения тока тормозного ключа (допустимого), который входит в схему преобразователя частоты. Максимальное же значение сопротивления и мощность тормозного резистора напрямую зависят от максимально возможного количества энергии, которая выделяется в процессе торможения привода.
Расчет и выбор тормозных резисторов для преобразователей частоты
В статье рассматривается методике расчета и выбора тормозного сопротивления (тормозного резистора) для преобразователей частоты (ПЧ, частотника), на примере остановки асинхронного двигателя типа АИР.
Тормозные резисторы являются необходимыми элементами систем с тяжелыми режимами торможения (остановка большой нагрузки за малое время), если в их составе имеются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (например, серии GA700, GA500, A1000, L1000, J1000).
YASKAWA преобразователи частоты серий GA700 и GA500
Примерами таких систем могут служить:
Примеры применений где требуются тормозные сопротивления
Пример расчета тормозного резистора
Циклограмма работы с участком торможения двигателя
Из циклограмм видно насколько сильно растет значение момента при переходе в отрицательную область во время торможения.
Если не предпринять меры по утилизации энергии, которая поступает на ПЧ во время торможения электродвигателя, то преобразователь отключится по ошибке перенапряжения на звене постоянного тока (код OV у YASKAWA). А в случае большой инерционной нагрузки на валу электродвигателя могут выйти из строя конденсаторы звена постоянного тока (ЗПТ).
Для утилизации возникающей энергии используют или тормозные сопротивления, преобразующие энергию в тепло, или рекуператоры для возврата ее в питающую сеть.
Для выбора тормозного резистора в первую очередь нам нужно определить электрическую мощность торможения:
Находим номинальную скорость двигателя в рад/с:
Рассчитываем максимальный момент для полной остановки по заданному циклу. Если механика имеет в своем составе несколько кинематических узлов (например, редукторы, барабаны и т.д.), то в суммарном моменте инерции эти узлы должны быть приведены к валу двигателя:
Определяем максимальную мощность при торможении:
Определяем электрическую мощность торможения. Так, как отсутствует редуктор, то величину его КПД берем равной 100%:
Здесь k – вспомогательный коэффициент, зависящий от номинальной мощности двигателя:
| Pном.дв, кВт | k |
| до 1,5 | 0,25 |
| от 2,2 до 4,0 | 0,20 |
| от 5,5 до 11 | 0,15 |
| от 15 до 45 | 0,08 |
| выше 45 | 0,05 |
Производим расчет допустимого сопротивления резистора:
будет иметь следующие значения в зависимости от величины напряжения на входе ПЧ:
– для 380 В: Uзпт = 757 В ± 3 %
Определяем продолжительность включения (ПВ) для режима торможения:
Находим номинальную мощность тормозного резистора:
где – коэффициент, зависящий от значения ПВ (соответствие на рис.3)
Зависимость коэффициента fk от ПВ
Согласно расчету, получается резистор 6Ом/18,5кВт. Один резистор этим условиям не удовлетворяет, но можно использовать по два резистора RH-9600W015-10 (9,6 кВт, 15 Ом, ПВ=10%).
Тормозные резисторы разной мощности RFH и БТ
Выбор тормозного модуля
Для сброса энергии со звена постоянного тока при его повышении используется специальный силовой транзистор, называемый тормозным. Он может быть, как встроенным, так и внешним. У преобразователей YASKAWA тормозные модули встроены в сам ПЧ до определенной мощности:
Пример внешнего тормозного модуля YASKAWA CDBR-4045D
Для проверки работоспособности тормозного транзистора в данном режиме, необходимо найти ток, который будет протекать через него во время торможения. В нашем случае это будет:
В данном случае преобразователь GA700 имеет номинальную мощность 90 кВт при тяжелом режиме нагрузки [HD] и требует установки внешних тормозных модулей. По каталогу рекомендуется установка двух модулей CDBR-4045D с максимальным суммарным током 120 А.
Таблица характеристик тормозных модулей YASKAWA CDBR
Выводы
Расчет режимов торможения и выбор тормозных резисторов для преобразователей частоты необходимый этап перед его покупкой, чтобы в последствии избежать простоя оборудования и выхода из строя ПЧ.
ООО «КоСПА» обеспечивает поставку ПЧ YASKAWA со всеми необходимыми опциями и в случае необходимости может помочь в их выборе и проверке ваших расчетов.