Dodavatelé brzdových jednotek připomínají, že s rozvojem průmyslové automatizace výroby se zvyšuje frekvence používání frekvenčních měničů. Pro dosažení maximální efektivity výroby je často nutné zvýšit počet podpůrných zařízení frekvenčních měničů, jako jsou energeticky náročné brzdné jednotky a brzdné odpory, aby se zvýšila efektivita výroby. Na základě charakteristik, nedostatků a složení brzdných jednotek spotřebovávajících energii ve frekvenčních měničích tento článek analyzuje metody optimalizace výběru energeticky náročných brzdných jednotek a brzdných odporů ve frekvenčních měničích.
1. Spotřeba energie brzdění frekvenčního měniče
Metoda používaná pro brzdění spotřebou energie spočívá v instalaci brzdné jednotky na stejnosměrné straně frekvenčního měniče, která spotřebovává regenerovanou elektrickou energii na brzdném rezistoru k dosažení brzdění. Toto je nejpřímější a nejjednodušší způsob zpracování regenerované energie. Regenerovaná energie se spotřebovává na rezistoru prostřednictvím vyhrazeného obvodu brzdění spotřebou energie a přeměňuje se na tepelnou energii. Tento rezistor se nazývá odporové brzdění.
Brzdění s energetickou spotřebou se vyznačuje jednoduchým obvodem a nízkou cenou. Během brzdění se však s klesajícími otáčkami motoru snižuje i kinetická energie hnacího systému, což vede ke snížení regenerativní kapacity a brzdného momentu motoru. Proto se u brzdných systémů s vysokou setrvačností při nízkých rychlostech běžně setkáváme s jevem „plazivosti“, který ovlivňuje přesnost času nebo polohy parkování. Brzdění s energetickou spotřebou je proto použitelné pouze pro parkování s běžným zatížením. Brzdění s energetickou spotřebou zahrnuje dvě části: brzdnou jednotku a brzdný odpor.
(1) Brzdová jednotka
Funkce brzdné jednotky spočívá v zapojení obvodu pro odvod energie, když napětí Ud stejnosměrného obvodu překročí stanovenou mez, což umožňuje stejnosměrnému obvodu uvolnit energii ve formě tepelné energie po průchodu brzdným rezistorem. Brzdné jednotky lze rozdělit na dva typy: vestavěné a externí. Vestavěný typ je vhodný pro nízkopříkonové univerzální měniče kmitočtu, zatímco externí typ je vhodný pro vysoce výkonné měniče kmitočtu nebo pro pracovní podmínky se speciálními požadavky na brzdění. V zásadě mezi těmito dvěma typy není žádný rozdíl. Brzdná jednotka slouží jako „spínač“ pro připojení brzdného rezistoru, který obsahuje výkonový tranzistor, obvod pro porovnání vzorkování napětí a budicí obvod.
(2) Brzdný odpor
Brzdný rezistor je nosič používaný ke spotřebě regenerativní energie elektromotoru ve formě tepelné energie, která zahrnuje dva důležité parametry: hodnotu odporu a výkonovou kapacitu. Dva běžně používané typy rezistorů ve strojírenství jsou vlnité rezistory a rezistory ze slitin hliníku: vlnité rezistory používají povrchové svislé zvlnění pro usnadnění odvodu tepla a snížení parazitní indukčnosti a vysoce hořlavé anorganické povlaky jsou voleny tak, aby účinně chránily odporové vodiče před stárnutím a prodloužily jejich životnost. Rezistory ze slitin hliníku mají lepší odolnost vůči povětrnostním vlivům a vibracím než tradiční porcelánové rezistory a jsou široce používány v náročných prostředích s vysokými požadavky. Snadno se instalují a pevně připevňují, snadno se připevňují k chladičům a mají krásný vzhled.
Proces brzdění se spotřebou energie probíhá následovně: když elektromotor zpomaluje nebo couvá vlivem vnější síly (včetně tažení), elektromotor běží v generátorovém stavu a energie je přiváděna zpět do stejnosměrného obvodu, což způsobuje zvýšení napětí na sběrnici; brzdná jednotka snímá napětí na sběrnici. Když stejnosměrné napětí dosáhne hodnoty vodivosti nastavené brzdnou jednotkou, výkonová trubice brzdné jednotky vede a proud protéká brzdným rezistorem; brzdný rezistor přeměňuje elektrickou energii na tepelnou, čímž snižuje otáčky motoru a napětí na sběrnici stejnosměrného proudu; když napětí na sběrnici klesne na mezní hodnotu nastavenou brzdnou jednotkou, spínací výkonový tranzistor brzdné jednotky se vypne a brzdným rezistorem neprotéká žádný proud.
Vzdálenost vodičů mezi brzdnou jednotkou a frekvenčním měničem, stejně jako mezi brzdnou jednotkou a brzdným rezistorem, by měla být co nejkratší (s délkou vodiče menší než 2 m) a průřez vodiče by měl splňovat požadavky na vybíjecí proud brzdného rezistoru. Během provozu brzdné jednotky generuje brzdný rezistor velké množství tepla. Brzdný rezistor by měl mít dobré podmínky pro odvod tepla a pro připojení brzdného rezistoru by měly být použity tepelně odolné vodiče. Vodiče by se neměly dotýkat brzdného rezistoru. Brzdný rezistor by měl být pevně upevněn izolačními podložkami a instalační poloha by měla zajišťovat dobrý odvod tepla. Při instalaci brzdného rezistoru do skříně by měl být instalován na horní straně skříně frekvenčního měniče.
2. Výběr brzdové jednotky
Obecně platí, že při brzdění elektromotoru dochází uvnitř motoru k určité ztrátě, která činí přibližně 18 % až 22 % jmenovitého točivého momentu. Pokud je tedy požadovaný brzdný moment vypočítán jako menší než 18 % až 22 % jmenovitého točivého momentu motoru, není nutné brzdové zařízení připojovat.
Při výběru brzdné jednotky je jediným základem maximální provozní proud brzdné jednotky.
3. Optimalizace výběru brzdného rezistoru
Během provozu brzdné jednotky závisí nárůst a pokles napětí stejnosměrné sběrnice na konstantě RC, kde R je hodnota odporu brzdného rezistoru a C je kapacita vnitřního kondenzátoru frekvenčního měniče.
Hodnota odporu brzdného rezistoru je příliš vysoká, což způsobuje pomalé brzdění. Pokud je příliš malá, snadno se poškodí součásti brzdného spínače. Obecně platí, že pokud setrvačnost zátěže není příliš velká, předpokládá se, že až 70 % energie spotřebované motorem během brzdění je spotřebováno brzdným rezistorem a 30 % energie je spotřebováno různými ztrátami v samotném motoru a zátěži.
Ztrátový výkon brzdného rezistoru při nízkofrekvenčním brzdění je obvykle 1/4 až 1/5 výkonu motoru a při častém brzdění je třeba ztrátový výkon zvýšit. Některé frekvenční měniče s malou kapacitou jsou vybaveny brzdnými rezistory uvnitř, ale při brzdění při vysokých frekvencích nebo zatížení gravitací nemají vnitřní brzdné rezistory dostatečný odvod tepla a jsou náchylné k poškození. V tomto případě by se místo nich měly použít externí brzdné rezistory s vysokým výkonem. Všechny typy brzdných rezistorů by měly používat rezistory s nízkou indukčností. Připojovací vodič by měl být krátký a měl by se použít kroucený pár nebo paralelní vodič. Měla by se přijmout opatření s nízkou indukčností, aby se zabránilo a snížilo přidávání energie indukčnosti k trubici brzdového spínače, což by mohlo způsobit její poškození. Pokud je indukčnost obvodu velká a odpor malý, způsobí to poškození trubice brzdového spínače.
Brzdný odpor úzce souvisí s točivým momentem setrvačníku elektromotoru a točivý moment setrvačníku elektromotoru se během provozu mění. Proto je obtížné přesně vypočítat brzdný odpor a přibližná hodnota se obvykle získává pomocí empirických vzorců.
RZ>=(2 × UD)/Ve vzorci: Ie jmenovitý proud frekvenčního měniče; UD napětí stejnosměrné sběrnice frekvenčního měniče
Vzhledem ke krátkodobému pracovnímu režimu brzdného odporu lze na základě jeho charakteristik a technických specifikací obecně vypočítat jmenovitý výkon brzdného odporu v systému regulace otáček s proměnnou frekvencí pomocí následujícího vzorce:
PB=K × Pav × η%, kde PB je jmenovitý výkon brzdného odporu; K je koeficient snížení výkonu brzdného odporu; Pav je průměrná spotřeba energie během brzdění; η je míra využití brzdění.
Aby se snížila úroveň odporu brzdných odporů, různí výrobci frekvenčních měničů často dodávají brzdné odpory se stejnou hodnotou odporu pro několik různých výkonů motorů. Proto je rozdíl v brzdném momentu získaném během brzdění značný. Například frekvenční měnič řady Emerson TD3000 poskytuje brzdný odpor o specifikaci 3 kW a 20 Ω pro frekvenční měniče s výkonem motorů 22 kW, 30 kW a 37 kW. Pokud brzdná jednotka vede stejnosměrné napětí 700 V, brzdný proud je:
IB=700/20=35A
Výkon brzdného rezistoru je:
PB0=(700)2/20=24,5 kW
Brzdná jednotka a brzdný rezistor používané v systému regulace otáček s proměnnou frekvencí jsou nezbytné pro bezpečný a spolehlivý provoz systému regulace otáček s proměnnou frekvencí s rekuperační energií a požadavky na přesné parkování. Proto by měl být při výběru správného systému regulace otáček s proměnnou frekvencí optimalizován výběr brzdné jednotky a brzdného rezistoru. To nejen snižuje pravděpodobnost poruch v systému regulace otáček s proměnnou frekvencí, ale také umožňuje, aby navržený systém regulace otáček s proměnnou frekvencí měl vysoké ukazatele dynamického výkonu.