I fornitori di unità frenanti ricordano che, con lo sviluppo della produzione di automazione industriale, la frequenza di utilizzo dei convertitori di frequenza è aumentata. Per raggiungere la massima efficienza produttiva, è spesso necessario potenziare le apparecchiature di supporto dei convertitori di frequenza, come unità frenanti ad alto consumo energetico e resistenze di frenatura, per migliorarne l'efficienza produttiva. Sulla base delle caratteristiche, dei difetti e della composizione della frenatura ad alto consumo energetico nei convertitori di frequenza, questo articolo analizza i metodi di selezione ottimizzata delle unità frenanti ad alto consumo energetico e delle resistenze di frenatura nei convertitori di frequenza.
1. Consumo energetico di frenata del convertitore di frequenza
Il metodo utilizzato per la frenatura a consumo energetico consiste nell'installare un'unità di frenatura sul lato CC del convertitore di frequenza, che consuma l'energia elettrica rigenerata sulla resistenza di frenatura per ottenere la frenatura. Questo è il modo più diretto e semplice per elaborare l'energia rigenerata. Consuma l'energia rigenerata sulla resistenza attraverso un circuito di frenatura dedicato e la converte in energia termica. Questa resistenza è chiamata frenatura a resistenza.
Le caratteristiche della frenatura a consumo energetico sono la semplicità del circuito e il basso costo. Tuttavia, durante il processo di frenatura, al diminuire della velocità del motore, diminuisce anche l'energia cinetica del sistema di azionamento, con conseguente diminuzione della capacità rigenerativa e della coppia frenante del motore. Pertanto, nei sistemi di trascinamento con elevata inerzia, è comune riscontrare il fenomeno del "crawling" a basse velocità, che influisce sulla precisione del tempo o della posizione di parcheggio. Pertanto, la frenatura a consumo energetico è applicabile solo al parcheggio con carichi generici. La frenatura a consumo energetico comprende due parti: l'unità di frenatura e la resistenza di frenatura.
(1) Unità di frenatura
La funzione dell'unità di frenatura è quella di collegare il circuito di dissipazione dell'energia quando la tensione Ud del circuito CC supera il limite specificato, consentendo al circuito CC di rilasciare energia sotto forma di energia termica dopo aver attraversato la resistenza di frenatura. L'unità di frenatura può essere suddivisa in due tipologie: integrata ed esterna. Il tipo integrato è adatto per convertitori di frequenza generici a bassa potenza, mentre il tipo esterno è adatto per convertitori di frequenza ad alta potenza o condizioni di lavoro con requisiti speciali per la frenatura. In linea di principio, non vi è alcuna differenza tra i due. L'unità di frenatura funge da "interruttore" per collegare la resistenza di frenatura, che include un transistor di potenza, un circuito di confronto del campionamento della tensione e un circuito di pilotaggio.
(2) Resistenza di frenatura
La resistenza di frenatura è un vettore utilizzato per assorbire l'energia rigenerativa di un motore elettrico sotto forma di energia termica, che include due parametri importanti: valore di resistenza e capacità di potenza. Due tipi di resistori comunemente utilizzati in ingegneria sono i resistori corrugati e i resistori in lega di alluminio: i resistori corrugati utilizzano ondulazioni verticali superficiali per facilitare la dissipazione del calore e ridurre l'induttanza parassita, e rivestimenti inorganici altamente ignifughi vengono selezionati per proteggere efficacemente i fili della resistenza dall'invecchiamento e prolungarne la durata; i resistori in lega di alluminio offrono una migliore resistenza agli agenti atmosferici e alle vibrazioni rispetto ai tradizionali resistori con telaio in porcellana e sono ampiamente utilizzati in ambienti difficili con requisiti elevati. Sono facili da installare saldamente, facili da collegare ai dissipatori di calore e hanno un aspetto gradevole.
Il processo di frenatura a consumo energetico è il seguente: quando il motore elettrico decelera o inverte la marcia sotto l'azione di una forza esterna (incluso il trascinamento), il motore elettrico funziona in stato di generazione e l'energia viene reimmessa nel circuito CC, causando un aumento della tensione del bus. L'unità di frenatura campiona la tensione del bus. Quando la tensione CC raggiunge il valore di conduzione impostato dall'unità di frenatura, il tubo dell'interruttore di potenza dell'unità di frenatura conduce e la corrente scorre attraverso la resistenza di frenatura. La resistenza di frenatura converte l'energia elettrica in energia termica, riducendo la velocità del motore e la tensione del bus CC. Quando la tensione del bus scende al valore di interruzione impostato dall'unità di frenatura, il transistor di potenza di commutazione dell'unità di frenatura viene interrotto e la resistenza di frenatura non scorre più corrente.
La distanza di cablaggio tra l'unità di frenatura e il convertitore di frequenza, così come tra l'unità di frenatura e la resistenza di frenatura, deve essere la più breve possibile (con una lunghezza del cavo inferiore a 2 m) e la sezione del cavo deve soddisfare i requisiti per la corrente di scarica della resistenza di frenatura. Quando l'unità di frenatura è in funzione, la resistenza di frenatura genera una grande quantità di calore. La resistenza di frenatura deve avere buone condizioni di dissipazione del calore e per il collegamento devono essere utilizzati cavi resistenti al calore. I cavi non devono toccare la resistenza di frenatura. La resistenza di frenatura deve essere fissata saldamente con cuscinetti isolanti e la posizione di installazione deve garantire una buona dissipazione del calore. Quando si installa la resistenza di frenatura nell'armadio, è necessario installarla sulla parte superiore dell'armadio del convertitore di frequenza.
2. Selezione dell'unità frenante
In generale, quando si frena un motore elettrico, si verifica una certa perdita al suo interno, pari a circa il 18-22% della coppia nominale. Pertanto, se si calcola che la coppia frenante richiesta sia inferiore al 18-22% della coppia nominale del motore, non è necessario collegare il dispositivo frenante.
Nella scelta di un'unità di frenatura, l'unica base di scelta è la corrente massima di esercizio dell'unità di frenatura.
3. Selezione ottimizzata della resistenza di frenatura
Durante il funzionamento dell'unità di frenatura, l'aumento e la diminuzione della tensione del bus CC dipendono dalla costante RC, dove R è il valore di resistenza del resistore di frenatura e C è la capacità del condensatore interno del convertitore di frequenza.
Il valore di resistenza della resistenza di frenatura è troppo elevato, causando una frenata lenta. Se è troppo basso, i componenti dell'interruttore di frenatura si danneggiano facilmente. In genere, quando l'inerzia del carico non è eccessiva, si ritiene che fino al 70% dell'energia consumata dal motore durante la frenata sia assorbita dalla resistenza di frenatura e il 30% dell'energia sia assorbito da varie perdite del motore stesso e del carico.
La potenza dissipata della resistenza di frenatura per la frenatura a bassa frequenza è generalmente compresa tra 1/4 e 1/5 della potenza del motore e deve essere aumentata in caso di frenate frequenti. Alcuni convertitori di frequenza di piccola capacità sono dotati di resistenze di frenatura interne, ma in caso di frenatura ad alte frequenze o carichi gravitazionali, le resistenze di frenatura interne hanno una dissipazione del calore insufficiente e sono soggette a danni. In questo caso, è necessario utilizzare resistenze di frenatura esterne ad alta potenza. Tutti i tipi di resistenze di frenatura devono utilizzare resistori con strutture a bassa induttanza; il filo di collegamento deve essere corto e deve essere utilizzato un doppino intrecciato o un filo parallelo. È necessario adottare misure di bassa induttanza per prevenire e ridurre l'energia di induttanza che si aggiunge al tubo dell'interruttore del freno, causando danni al tubo dell'interruttore del freno. Se l'induttanza del circuito è elevata e la resistenza è bassa, si verificheranno danni al tubo dell'interruttore del freno.
La resistenza di frenatura è strettamente correlata alla coppia del volano del motore elettrico, che varia durante il funzionamento. Pertanto, è difficile calcolare con precisione la resistenza di frenatura e di solito si ottiene un valore approssimativo utilizzando formule empiriche.
RZ>=(2 × UD)/Nella formula: Ie corrente nominale del convertitore di frequenza; UD tensione del bus CC del convertitore di frequenza
A causa della modalità di funzionamento a breve termine della resistenza di frenatura, in base alle caratteristiche e alle specifiche tecniche della resistenza, la potenza nominale della resistenza di frenatura nel sistema di regolazione della velocità a frequenza variabile può essere generalmente calcolata utilizzando la seguente formula:
PB=K × Pav × η%, dove PB è la potenza nominale della resistenza di frenatura; K è il coefficiente di derating della resistenza di frenatura; Pav è il consumo medio di potenza durante la frenatura; η è il tasso di utilizzo della frenatura.
Per ridurre il livello di resistenza delle resistenze di frenatura, diversi produttori di convertitori di frequenza spesso forniscono resistenze di frenatura con lo stesso valore di resistenza per motori di diverse potenze. Pertanto, la differenza nella coppia frenante ottenuta durante il processo di frenatura è significativa. Ad esempio, il convertitore di frequenza Emerson serie TD3000 fornisce una specifica della resistenza di frenatura di 3 kW e 20 Ω per convertitori di frequenza con potenze motore di 22 kW, 30 kW e 37 kW. Quando l'unità di frenatura conduce a una tensione continua di 700 V, la corrente di frenatura è:
IB=700/20=35A
La potenza della resistenza di frenatura è:
PB0=(700)2/20=24,5kW
L'unità di frenatura e la resistenza di frenatura utilizzate nel sistema di regolazione della velocità a frequenza variabile sono configurazioni essenziali per il funzionamento sicuro e affidabile del sistema di regolazione della velocità a frequenza variabile, con energia rigenerativa e requisiti di parcheggio precisi. Pertanto, quando si seleziona il corretto sistema di regolazione della velocità a frequenza variabile, è necessario ottimizzare la selezione dell'unità di frenatura e della resistenza di frenatura. Ciò non solo riduce il rischio di guasti nel sistema di regolazione della velocità a frequenza variabile, ma consente anche al sistema di regolazione della velocità a frequenza variabile progettato di avere elevati indicatori di prestazioni dinamiche.