يُذكر مُورِّدو وحدات الكبح بأنه مع تطور إنتاج الأتمتة الصناعية، ازداد استخدام مُحوِّلات التردد. ولتحقيق أقصى كفاءة إنتاجية، غالبًا ما يكون من الضروري زيادة المعدات الداعمة لمُحوِّلات التردد، مثل وحدات الكبح المُستهلكة للطاقة ومقاومات الكبح، لتحسين كفاءة الإنتاج. بناءً على خصائص وعيوب وتركيبة وحدات الكبح المُستهلكة للطاقة في مُحوِّلات التردد، تُحلِّل هذه المقالة طرق اختيار وحدات الكبح المُستهلكة للطاقة ومقاومات الكبح في مُحوِّلات التردد.
1. كبح استهلاك الطاقة لمحول التردد
الطريقة المُستخدمة لكبح استهلاك الطاقة هي تركيب مُكوّن وحدة كبح على جانب التيار المستمر لمُحوّل التردد، والذي يستهلك الطاقة الكهربائية المُتجددة على مُقاوم الكبح لتحقيق الكبح. هذه هي الطريقة الأكثر مباشرة وبساطة لمعالجة الطاقة المُتجددة. تُستهلك الطاقة المُتجددة على المُقاوم من خلال دائرة كبح مُخصصة لاستهلاك الطاقة، وتُحوّلها إلى طاقة حرارية. تُسمى هذه المُقاومة كبح المقاومة.
تتميز أنظمة كبح استهلاك الطاقة بسهولة الدائرة وانخفاض السعر. ومع ذلك، أثناء عملية الكبح، ومع انخفاض سرعة المحرك، تنخفض الطاقة الحركية لنظام القيادة، مما يؤدي إلى انخفاض في سعة الكبح وعزم دوران الكبح للمحرك. لذلك، في أنظمة السحب ذات القصور الذاتي العالي، من الشائع مواجهة ظاهرة "الزحف" عند السرعات المنخفضة، مما يؤثر على دقة وقت أو موقع الركن. لذلك، لا ينطبق كبح استهلاك الطاقة إلا على الركن ذي الأحمال العامة. يتكون كبح استهلاك الطاقة من جزأين: وحدة الكبح ومقاوم الكبح.
(1) وحدة الكبح
وظيفة وحدة الكبح هي توصيل دائرة تبديد الطاقة عندما يتجاوز جهد Ud لدائرة التيار المستمر الحدّ المُحدّد، مما يسمح لدائرة التيار المستمر بإطلاق الطاقة على شكل طاقة حرارية بعد مرورها عبر مقاومة الكبح. تنقسم وحدة الكبح إلى نوعين: مدمج وخارجي. النوع المدمج مناسب لمحوّلات التردد متعددة الاستخدامات منخفضة الطاقة، بينما يناسب النوع الخارجي محولات التردد عالية الطاقة أو ظروف العمل ذات المتطلبات الخاصة للكبح. من حيث المبدأ، لا يوجد فرق بين النوعين. تعمل وحدة الكبح كمفتاح لتوصيل مقاومة الكبح، والتي تتضمن ترانزستور طاقة، ودائرة مقارنة عينات الجهد، ودائرة تشغيل.
(2) مقاومة الكبح
مقاومات الكبح هي حامل يُستخدم لاستهلاك الطاقة المتجددة للمحرك الكهربائي على شكل طاقة حرارية، والتي تتضمن معيارين مهمين: قيمة المقاومة وسعة القدرة. هناك نوعان شائعان من المقاومات في الهندسة: المقاومات المموجة ومقاومات سبائك الألومنيوم. تستخدم المقاومات المموجة تموجات سطحية عمودية لتسهيل تبديد الحرارة وتقليل المحاثة الطفيلية، وتُستخدم فيها طبقات غير عضوية عالية المقاومة للهب لحماية أسلاك المقاومة بفعالية من التلف وإطالة عمرها الافتراضي. تتميز مقاومات سبائك الألومنيوم بمقاومة أفضل للعوامل الجوية والاهتزازات مقارنةً بمقاومات إطار البورسلين التقليدية، وتُستخدم على نطاق واسع في البيئات القاسية ذات المتطلبات العالية. كما أنها سهلة التركيب، وسهلة التركيب مع مشتتات حرارية، وتتميز بمظهر جميل.
تتم عملية كبح استهلاك الطاقة كما يلي: عندما يتباطأ المحرك الكهربائي أو ينعكس تحت تأثير قوة خارجية (بما في ذلك السحب)، يعمل المحرك الكهربائي في حالة توليد، وتُعاد الطاقة إلى دائرة التيار المستمر، مما يؤدي إلى ارتفاع جهد الناقل. تقوم وحدة الكبح بأخذ عينة من جهد الناقل. عندما يصل جهد التيار المستمر إلى قيمة التوصيل التي حددتها وحدة الكبح، يوصل أنبوب مفتاح الطاقة لوحدة الكبح، ويتدفق التيار عبر مقاومة الكبح. تُحوّل مقاومة الكبح الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية، مما يُقلل من سرعة المحرك ويخفض جهد الناقل المستمر. عندما ينخفض جهد الناقل إلى قيمة القطع التي حددتها وحدة الكبح، يُقطع ترانزستور طاقة التبديل لوحدة الكبح، ولا يتدفق أي تيار عبر مقاومة الكبح.
يجب أن تكون مسافة الأسلاك بين وحدة الكبح ومحول التردد، وكذلك بين وحدة الكبح ومقاوم الكبح، قصيرة قدر الإمكان (بطول سلك أقل من مترين)، ويجب أن يفي المقطع العرضي للسلك بمتطلبات تيار تفريغ مقاوم الكبح. عند تشغيل وحدة الكبح، سيولد مقاوم الكبح كمية كبيرة من الحرارة. يجب أن يتمتع مقاوم الكبح بظروف تبديد حرارة جيدة، ويجب استخدام أسلاك مقاومة للحرارة لتوصيله. يجب ألا تلامس الأسلاك مقاوم الكبح. يجب تثبيت مقاوم الكبح بإحكام باستخدام وسادات عازلة، ويجب أن يضمن موضع التركيب تبديدًا جيدًا للحرارة. عند تركيب مقاوم الكبح في الخزانة، يجب تثبيته أعلى خزانة محول التردد.
2. اختيار وحدة الكبح
بشكل عام، عند كبح المحرك الكهربائي، يكون هناك فقدٌ مُحددٌ في الطاقة داخل المحرك، يتراوح بين 18% و22% من عزم الدوران المُسمّى. لذلك، إذا كان عزم الكبح المطلوب أقل من 18% إلى 22% من عزم الدوران المُسمّى للمحرك، فلا حاجة لتوصيل جهاز الكبح.
عند اختيار وحدة الكبح، فإن الحد الأقصى لتيار التشغيل لوحدة الكبح هو الأساس الوحيد للاختيار.
3. اختيار الأمثل لمقاومة الكبح
أثناء تشغيل وحدة الكبح، يعتمد ارتفاع وانخفاض جهد ناقل التيار المستمر على الثابت RC، حيث R هي قيمة مقاومة المقاوم المكبح و C هي سعة المكثف الداخلي لمحول التردد.
قيمة مقاومة مقاومة الكبح مرتفعة جدًا، مما يُبطئ عملية الكبح. إذا كانت صغيرة جدًا، فإن مكونات مفتاح الكبح تتلف بسهولة. بشكل عام، عندما لا يكون قصور الحمل كبيرًا جدًا، يُعتقد أن ما يصل إلى 70% من الطاقة التي يستهلكها المحرك أثناء الكبح تستهلكها مقاومة الكبح، بينما تستهلك 30% من الطاقة خسائر مختلفة في المحرك نفسه والحمل.
تكون الطاقة المبددة لمقاوم الكبح للفرملة منخفضة التردد بشكل عام من 1/4 إلى 1/5 من طاقة المحرك، ويجب زيادة الطاقة المبددة أثناء الكبح المتكرر. تم تجهيز بعض محولات التردد ذات السعة الصغيرة بمقاومات كبح داخلية، ولكن عند الكبح عند ترددات عالية أو أحمال الجاذبية، فإن مقاومات الكبح الداخلية لديها تبديد حرارة غير كافٍ وتكون عرضة للتلف. في هذه الحالة، يجب استخدام مقاومات كبح خارجية عالية الطاقة بدلاً من ذلك. يجب أن تستخدم جميع أنواع مقاومات الكبح مقاومات ذات هياكل محاثة منخفضة؛ يجب أن يكون سلك التوصيل قصيرًا ويجب استخدام زوج ملتوي أو سلك متوازي. يجب اتخاذ تدابير المحاثة المنخفضة لمنع وتقليل إضافة طاقة المحاثة إلى أنبوب مفتاح الفرامل، مما يتسبب في تلف أنبوب مفتاح الفرامل. إذا كان محاثة الدائرة كبيرة وكانت المقاومة صغيرة، فسوف يتسبب ذلك في تلف أنبوب مفتاح الفرامل.
ترتبط مقاومة الكبح ارتباطًا وثيقًا بعزم دوران دولاب الموازنة للمحرك الكهربائي، ويتغير هذا العزم أثناء التشغيل. لذلك، يصعب حساب مقاومة الكبح بدقة، وعادةً ما تُحسب قيمتها التقريبية باستخدام معادلات تجريبية.
RZ>=(2 × UD)/في الصيغة: أي التيار المقدر لمحول التردد؛ جهد ناقل التيار المستمر لمحول التردد UD
بسبب وضع العمل قصير المدى لمقاومة الكبح، واستنادًا إلى خصائص ومواصفات المقاومة الفنية، يمكن عمومًا حساب القدرة الاسمية لمقاومة الكبح في نظام تنظيم سرعة التردد المتغير باستخدام الصيغة التالية:
PB=K × Pav × η%، حيث PB هي القدرة الاسمية لمقاومة الكبح؛ K هو معامل تخفيض تصنيف مقاومة الكبح؛ Pav هو متوسط استهلاك الطاقة أثناء الكبح؛ η هو معدل استخدام الكبح.
لتقليل مستوى مقاومة مقاومات الكبح، غالبًا ما يوفر مُصنِّعو مُحوِّلات التردد المختلفة مقاومات كبح بنفس قيمة المقاومة لعدة محركات بسعات مُختلفة. لذلك، يكون الفرق في عزم الكبح الناتج أثناء عملية الكبح كبيرًا. على سبيل المثال، يُوفِّر مُحوِّل التردد من سلسلة Emerson TD3000 مُواصفة مقاومة كبح تبلغ 3 كيلوواط و20 أوم لمُحوِّلات التردد بسعات محركات تبلغ 22 كيلوواط و30 كيلوواط و37 كيلوواط. عند توصيل وحدة الكبح بجهد تيار مستمر 700 فولت، يكون تيار الكبح:
IB=700/20=35A
قوة مقاومة الكبح هي:
PB0=(700)2/20=24.5 كيلو واط
تُعد وحدة الكبح ومقاوم الكبح المستخدمان في نظام تنظيم السرعة متغير التردد من التكوينات الأساسية لضمان التشغيل الآمن والموثوق به، مع توفير طاقة متجددة ودقة في متطلبات ركن السيارة. لذلك، عند اختيار نظام تنظيم السرعة متغير التردد المناسب، يجب تحسين اختيار وحدة الكبح ومقاوم الكبح. هذا لا يقلل فقط من احتمالية حدوث أعطال في نظام تنظيم السرعة متغير التردد، بل يُمكّنه أيضًا من تحقيق مؤشرات أداء ديناميكية عالية.