Los proveedores de unidades de frenado les recuerdan que, con el desarrollo de la automatización industrial, el uso de convertidores de frecuencia ha aumentado. Para maximizar la eficiencia de producción, a menudo es necesario aumentar el equipo de soporte de los convertidores de frecuencia, como las unidades de frenado de alto consumo y las resistencias de frenado, para mejorar la eficiencia de producción. Basándose en las características, las deficiencias y la composición del frenado de alto consumo en los convertidores de frecuencia, este artículo analiza los métodos de selección para optimizar las unidades de frenado de alto consumo y las resistencias de frenado en los convertidores de frecuencia.
1. Consumo de energía del frenado del convertidor de frecuencia
El método utilizado para el frenado por consumo de energía consiste en instalar una unidad de frenado en el lado de CC del convertidor de frecuencia. Esta unidad consume la energía eléctrica regenerada en la resistencia de frenado para lograr el frenado. Esta es la forma más directa y sencilla de procesar la energía regenerada. Consume la energía regenerada en la resistencia a través de un circuito de frenado dedicado y la convierte en energía térmica. Esta resistencia se denomina frenado por resistencia.
El frenado por consumo de energía se caracteriza por su circuito simple y bajo precio. Sin embargo, durante el frenado, al disminuir la velocidad del motor, la energía cinética del sistema de accionamiento también disminuye, lo que resulta en una disminución de la capacidad regenerativa y el par de frenado del motor. Por lo tanto, en sistemas de arrastre con alta inercia, es común encontrar el fenómeno de "arrastre" a bajas velocidades, lo que afecta la precisión del tiempo o la posición de estacionamiento. Por lo tanto, el frenado por consumo de energía solo es aplicable al estacionamiento con cargas generales. El frenado por consumo de energía consta de dos partes: la unidad de frenado y la resistencia de frenado.
(1) Unidad de frenado
La función de la unidad de frenado es conectar el circuito de disipación de energía cuando la tensión Ud del circuito de CC supera el límite especificado, permitiendo que el circuito de CC libere energía en forma de energía térmica tras pasar por la resistencia de frenado. La unidad de frenado se divide en dos tipos: integrada y externa. La integrada es adecuada para convertidores de frecuencia de propósito general de baja potencia, mientras que la externa es adecuada para convertidores de frecuencia de alta potencia o condiciones de trabajo con requisitos especiales de frenado. En principio, no hay diferencia entre ambas. La unidad de frenado actúa como un "interruptor" para conectar la resistencia de frenado, que incluye un transistor de potencia, un circuito de comparación de muestreo de tensión y un circuito de control.
(2) Resistencia de frenado
La resistencia de frenado es un portador que se utiliza para consumir la energía regenerativa de un motor eléctrico en forma de energía térmica. Esta incluye dos parámetros importantes: el valor de resistencia y la capacidad de potencia. Dos tipos de resistencias comúnmente utilizadas en ingeniería son las resistencias corrugadas y las resistencias de aleación de aluminio: las resistencias corrugadas utilizan corrugaciones verticales superficiales para facilitar la disipación de calor y reducir la inductancia parásita, y se seleccionan recubrimientos inorgánicos altamente ignífugos para proteger eficazmente los cables de resistencia del envejecimiento y prolongar su vida útil. Las resistencias de aleación de aluminio ofrecen mayor resistencia a la intemperie y a la vibración que las resistencias tradicionales con marco de porcelana, y se utilizan ampliamente en entornos hostiles con altos requisitos. Son fáciles de instalar firmemente, fáciles de instalar con disipadores de calor y tienen una apariencia atractiva.
El proceso de frenado por consumo de energía es el siguiente: cuando el motor eléctrico desacelera o invierte la marcha bajo una fuerza externa (incluido el arrastre), funciona en estado generador y la energía se devuelve al circuito de CC, lo que provoca un aumento de la tensión del bus. La unidad de frenado muestrea la tensión del bus. Cuando la tensión de CC alcanza el valor de conducción establecido por la unidad de frenado, el tubo de conmutación de la unidad de frenado conduce y la corriente fluye a través de la resistencia de frenado. La resistencia de frenado convierte la energía eléctrica en energía térmica, reduciendo la velocidad del motor y la tensión del bus de CC. Cuando la tensión del bus cae al valor de corte establecido por la unidad de frenado, el transistor de potencia de conmutación de la unidad de frenado se corta y no fluye corriente a través de la resistencia de frenado.
La distancia de cableado entre la unidad de frenado y el convertidor de frecuencia, así como entre la unidad de frenado y la resistencia de frenado, debe ser lo más corta posible (con una longitud de cable inferior a 2 m), y la sección transversal del cable debe cumplir con los requisitos para la corriente de descarga de la resistencia de frenado. Cuando la unidad de frenado está en funcionamiento, la resistencia de frenado generará una gran cantidad de calor. La resistencia de frenado debe tener buenas condiciones de disipación de calor y se deben utilizar cables resistentes al calor para conectarla. Los cables no deben tocar la resistencia de frenado. La resistencia de frenado debe estar firmemente fijada con almohadillas aislantes y la posición de instalación debe garantizar una buena disipación de calor. Al instalar la resistencia de frenado en el armario, debe instalarse en la parte superior del armario del convertidor de frecuencia.
2. Selección de la unidad de frenado
En general, al frenar un motor eléctrico, se produce una pérdida de potencia interna de entre el 18 % y el 22 % del par nominal. Por lo tanto, si se calcula que el par de frenado requerido es inferior al 18 % o al 22 % del par nominal del motor, no es necesario conectar el dispositivo de frenado.
Al seleccionar una unidad de frenado, la corriente de funcionamiento máxima de la unidad de frenado es la única base para la selección.
3. Selección optimizada de la resistencia de frenado
Durante el funcionamiento de la unidad de frenado, el aumento y la caída de la tensión del bus de CC dependen de la constante RC, donde R es el valor de resistencia de la resistencia de frenado y C es la capacidad del condensador interno del convertidor de frecuencia.
El valor de la resistencia de frenado es demasiado alto, lo que provoca un frenado lento. Si es demasiado pequeño, los componentes del interruptor de frenado se dañan fácilmente. Generalmente, cuando la inercia de la carga no es demasiado grande, se estima que hasta el 70 % de la energía consumida por el motor durante el frenado es consumida por la resistencia de frenado, y el 30 % restante por diversas pérdidas del propio motor y de la carga.
La potencia disipada de la resistencia de frenado para el frenado de baja frecuencia es generalmente de 1/4 a 1/5 de la potencia del motor, y es necesario aumentarla durante frenadas frecuentes. Algunos convertidores de frecuencia de pequeña capacidad están equipados con resistencias de frenado internas, pero al frenar a altas frecuencias o cargas gravitacionales, las resistencias de frenado internas tienen una disipación de calor insuficiente y son propensas a dañarse. En este caso, se deben utilizar resistencias de frenado externas de alta potencia. Todos los tipos de resistencias de frenado deben utilizar resistencias con estructuras de baja inductancia; el cable de conexión debe ser corto y se debe utilizar un par trenzado o un cable paralelo. Se deben tomar medidas de baja inductancia para evitar y reducir la energía de la inductancia que se agrega al tubo del interruptor de freno, lo que causa daños al tubo del interruptor de freno. Si la inductancia del circuito es grande y la resistencia es pequeña, causará daños al tubo del interruptor de freno.
La resistencia de frenado está estrechamente relacionada con el par del volante del motor eléctrico, y este par varía durante el funcionamiento. Por lo tanto, es difícil calcularla con precisión, por lo que se suele obtener un valor aproximado mediante fórmulas empíricas.
RZ>=(2 × UD)/En la fórmula: Ie corriente nominal del convertidor de frecuencia; UD tensión del bus de CC del convertidor de frecuencia
Debido al modo de trabajo de corto plazo de la resistencia de frenado, en función de las características y especificaciones técnicas de la resistencia, la potencia nominal de la resistencia de frenado en el sistema de regulación de velocidad de frecuencia variable generalmente se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:
PB=K × Pav × η%, donde PB es la potencia nominal de la resistencia de frenado; K es el coeficiente de reducción de la resistencia de frenado; Pav es el consumo medio de potencia durante el frenado; η es la tasa de utilización del frenado.
Para reducir la resistencia de frenado, diversos fabricantes de convertidores de frecuencia suelen ofrecer resistencias con el mismo valor para motores de distintas potencias. Por lo tanto, la diferencia en el par de frenado es significativa. Por ejemplo, el convertidor de frecuencia Emerson serie TD3000 ofrece una resistencia de frenado de 3 kW y 20 Ω para convertidores de frecuencia con potencias de motor de 22 kW, 30 kW y 37 kW. Cuando la unidad de frenado conduce a una tensión de CC de 700 V, la corriente de frenado es:
IB=700/20=35A
La potencia de la resistencia de frenado es:
PB0=(700)2/20=24,5 kW
La unidad de frenado y la resistencia de frenado utilizadas en el sistema de regulación de velocidad de frecuencia variable son configuraciones esenciales para el funcionamiento seguro y fiable del sistema, con energía regenerativa y requisitos de estacionamiento precisos. Por lo tanto, al seleccionar el sistema de regulación de velocidad de frecuencia variable correcto, es fundamental optimizar la selección de la unidad de frenado y la resistencia de frenado. Esto no solo reduce la probabilidad de fallos en el sistema, sino que también permite que el sistema diseñado tenga un alto rendimiento dinámico.