Bremsanlagenhersteller weisen darauf hin, dass mit der zunehmenden Automatisierung in der industriellen Fertigung auch der Einsatz von Frequenzumrichtern steigt. Um eine maximale Produktionseffizienz zu erzielen, ist es oft notwendig, die unterstützende Ausrüstung von Frequenzumrichtern, wie beispielsweise energieverbrauchende Bremsanlagen und Bremswiderstände, zu erweitern. Ausgehend von den Eigenschaften, Schwächen und der Zusammensetzung energieverbrauchender Bremsanlagen in Frequenzumrichtern analysiert dieser Artikel die Optimierungsmethoden für die Auswahl energieverbrauchender Bremsanlagen und Bremswiderstände in Frequenzumrichtern.
1. Energieverbrauch beim Bremsen des Frequenzumrichters
Die Methode zur energieverbrauchsbasierten Bremsung besteht darin, eine Bremseinheit auf der Gleichstromseite des Frequenzumrichters zu installieren. Diese nutzt die zurückgewonnene elektrische Energie am Bremswiderstand, um den Bremsvorgang zu realisieren. Dies ist die direkteste und einfachste Art der Energienutzung. Die zurückgewonnene Energie wird über einen speziellen Bremskreis am Widerstand verbraucht und in Wärmeenergie umgewandelt. Dieser Widerstand wird als Widerstandsbremsung bezeichnet.
Die Merkmale der energieverbrauchenden Bremsung sind ein einfacher Schaltkreis und ein niedriger Preis. Allerdings sinkt während des Bremsvorgangs mit abnehmender Motordrehzahl auch die kinetische Energie des Antriebssystems, was zu einer Verringerung der Rekuperationsleistung und des Bremsmoments des Motors führt. Daher tritt bei Systemen mit hoher Massenträgheit häufig ein Kriechverhalten bei niedrigen Geschwindigkeiten auf, was die Genauigkeit der Parkzeit oder -position beeinträchtigt. Aus diesem Grund eignet sich die energieverbrauchende Bremsung nur für das Parken mit allgemeinen Lasten. Sie besteht aus zwei Komponenten: der Bremseinheit und dem Bremswiderstand.
(1) Bremseinheit
Die Bremseinheit dient dazu, den Energiedissipationskreis zuzuschalten, sobald die Spannung Ud des Gleichstromkreises einen festgelegten Grenzwert überschreitet. Dadurch kann der Gleichstromkreis nach Durchlaufen des Bremswiderstands Energie in Form von Wärme abgeben. Bremseinheiten lassen sich in zwei Typen unterteilen: integrierte und externe. Die integrierte Variante eignet sich für Frequenzumrichter mit geringer Leistung und allgemeinen Anwendungen, während die externe Variante für Frequenzumrichter mit hoher Leistung oder für Betriebsbedingungen mit besonderen Bremsanforderungen geeignet ist. Prinzipiell besteht kein Unterschied zwischen den beiden Typen. Die Bremseinheit fungiert als „Schalter“ zum Anschluss des Bremswiderstands und umfasst einen Leistungstransistor, eine Spannungsabtast- und Vergleichsschaltung sowie eine Treiberschaltung.
(2) Bremswiderstand
Der Bremswiderstand dient dazu, die Rückgewinnungsenergie eines Elektromotors in Form von Wärmeenergie zu absorbieren. Er zeichnet sich durch zwei wichtige Parameter aus: seinen Widerstandswert und seine Belastbarkeit. In der Technik werden häufig zwei Widerstandstypen eingesetzt: Wellwiderstände und Aluminiumlegierungswiderstände. Wellwiderstände nutzen vertikale Oberflächenrillen zur besseren Wärmeableitung und Reduzierung der parasitären Induktivität. Hochflammhemmende anorganische Beschichtungen schützen die Widerstandsdrähte effektiv vor Alterung und verlängern ihre Lebensdauer. Aluminiumlegierungswiderstände bieten eine bessere Witterungs- und Vibrationsbeständigkeit als herkömmliche Widerstände mit Porzellanrahmen und werden daher häufig in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt. Sie lassen sich einfach und platzsparend montieren, bieten eine gute Anbringung von Kühlkörpern und zeichnen sich durch ein ansprechendes Erscheinungsbild aus.
Der energieverbrauchende Bremsvorgang läuft wie folgt ab: Verzögert oder kehrt der Elektromotor unter dem Einfluss einer äußeren Kraft (z. B. Schleppen) seine Drehrichtung um, arbeitet er im Generatorbetrieb und speist Energie in den Gleichstromkreis zurück, wodurch die Zwischenkreisspannung ansteigt. Die Bremseinheit misst die Zwischenkreisspannung. Erreicht die Gleichspannung den von der Bremseinheit festgelegten Durchlasswert, leitet der Leistungsschalter der Bremseinheit, und Strom fließt durch den Bremswiderstand. Der Bremswiderstand wandelt elektrische Energie in Wärmeenergie um, wodurch die Motordrehzahl sinkt und die Zwischenkreisspannung abnimmt. Sinkt die Zwischenkreisspannung auf den von der Bremseinheit festgelegten Abschaltwert, sperrt der Leistungstransistor der Bremseinheit, und es fließt kein Strom mehr durch den Bremswiderstand.
Die Verdrahtungslänge zwischen Bremseinheit und Frequenzumrichter sowie zwischen Bremseinheit und Bremswiderstand sollte so kurz wie möglich sein (unter 2 m). Der Kabelquerschnitt muss für den Entladestrom des Bremswiderstands ausgelegt sein. Im Betrieb erzeugt der Bremswiderstand eine hohe Wärmemenge. Daher ist eine gute Wärmeableitung erforderlich. Verwenden Sie zum Anschluss des Bremswiderstands hitzebeständige Kabel. Die Kabel dürfen den Bremswiderstand nicht berühren. Der Bremswiderstand muss mit Isolierpads fest fixiert werden. Der Einbauort muss eine gute Wärmeableitung gewährleisten. Beim Einbau in den Schaltschrank sollte der Bremswiderstand oben auf dem Frequenzumrichtergehäuse montiert werden.
2. Auswahl der Bremsanlage
Im Allgemeinen treten beim Bremsen eines Elektromotors Verluste im Motor auf, die etwa 18 % bis 22 % des Nenndrehmoments betragen. Ist das benötigte Bremsdrehmoment also geringer als 18 % bis 22 % des Nenndrehmoments, ist der Anschluss einer Bremsvorrichtung nicht erforderlich.
Bei der Auswahl einer Bremsanlage ist der maximale Betriebsstrom der Bremsanlage das einzige Auswahlkriterium.
3. Optimierung der Bremswiderstandsauswahl
Während des Betriebs der Bremseinheit hängt der Anstieg und Abfall der Gleichspannung vom konstanten RC ab, wobei R der Widerstandswert des Bremswiderstands und C die Kapazität des internen Kondensators des Frequenzumrichters ist.
Der Widerstandswert des Bremswiderstands ist zu hoch, was zu einer verzögerten Bremsung führt. Ist er zu niedrig, werden die Bauteile des Bremsschalters leicht beschädigt. Im Allgemeinen geht man davon aus, dass bei geringer Lastträgheit bis zu 70 % der vom Motor beim Bremsen verbrauchten Energie vom Bremswiderstand und 30 % durch verschiedene Verluste des Motors selbst und der Last verbraucht werden.
Die Verlustleistung des Bremswiderstands bei niederfrequentem Bremsen beträgt üblicherweise 1/4 bis 1/5 der Motorleistung. Bei häufigem Bremsen muss die Verlustleistung erhöht werden. Einige Frequenzumrichter mit geringer Kapazität sind mit internen Bremswiderständen ausgestattet. Bei hohen Bremsfrequenzen oder unter Schwerkraftbelastung ist die Wärmeableitung dieser internen Bremswiderstände jedoch unzureichend, wodurch sie beschädigt werden können. In diesem Fall sollten stattdessen externe Bremswiderstände mit hoher Leistung verwendet werden. Alle Bremswiderstände sollten induktivitätsarm sein. Die Anschlussleitungen sollten kurz sein und als verdrillte Adern oder parallel geschaltete Leitungen ausgeführt werden. Maßnahmen zur Reduzierung der Induktivität verhindern, dass Energie in die Bremslichtschalterröhre einwirkt und diese beschädigt. Eine hohe Induktivität bei gleichzeitig niedrigem Widerstand kann die Bremslichtschalterröhre beschädigen.
Der Bremswiderstand hängt eng mit dem Schwungraddrehmoment des Elektromotors zusammen, welches sich im Betrieb ändert. Daher ist es schwierig, den Bremswiderstand exakt zu berechnen, und üblicherweise wird ein Näherungswert mithilfe empirischer Formeln ermittelt.
RZ >= (2 × UD) / In der Formel: Ie Nennstrom des Frequenzumrichters; UD Gleichspannung des Frequenzumrichters
Aufgrund der kurzzeitigen Betriebsweise des Bremswiderstands kann die Nennleistung des Bremswiderstands im Drehzahlregelungssystem mit variabler Frequenz im Allgemeinen anhand der Eigenschaften und technischen Spezifikationen des Widerstands mit folgender Formel berechnet werden:
PB=K × Pav × η%, wobei PB die Nennleistung des Bremswiderstands ist; K der Reduktionskoeffizient des Bremswiderstands; Pav der durchschnittliche Stromverbrauch während des Bremsvorgangs; η der Bremsnutzungsgrad.
Um den Widerstand der Bremswiderstände zu reduzieren, bieten verschiedene Frequenzumrichterhersteller häufig Bremswiderstände mit demselben Widerstandswert für Motoren unterschiedlicher Leistung an. Daher ist der Unterschied im Bremsmoment während des Bremsvorgangs erheblich. Beispielsweise bietet der Frequenzumrichter der Emerson TD3000-Serie Bremswiderstände mit den Spezifikationen 3 kW und 20 Ω für Motorleistungen von 22 kW, 30 kW und 37 kW. Bei einer Gleichspannung von 700 V beträgt der Bremsstrom:
IB=700/20=35A
Die Leistung des Bremswiderstands beträgt:
PB0=(700)2/20=24,5kW
Die Bremsanlage und der Bremswiderstand sind wesentliche Komponenten für den sicheren und zuverlässigen Betrieb des Frequenzumrichtersystems mit Rückgewinnungsenergie und präzisen Parkpositionen. Daher sollte bei der Auswahl des geeigneten Frequenzumrichtersystems die Bremsanlage und der Bremswiderstand optimal gewählt werden. Dies reduziert nicht nur die Fehleranfälligkeit des Systems, sondern ermöglicht auch hohe dynamische Leistungskennwerte.