Os fornecedores de unidades de frenagem lembram que, com o desenvolvimento da automação industrial, a frequência de uso de conversores de frequência tem aumentado. Para alcançar a máxima eficiência de produção, muitas vezes é necessário adicionar equipamentos auxiliares aos conversores de frequência, como unidades de frenagem com alto consumo de energia e resistores de frenagem, a fim de melhorar a produtividade. Com base nas características, limitações e composição das unidades de frenagem com alto consumo de energia em conversores de frequência, este artigo analisa os métodos de seleção otimizados para essas unidades e resistores.
1. Frenagem do consumo de energia do conversor de frequência
O método utilizado para frenagem por consumo de energia consiste em instalar um componente de frenagem no lado CC do conversor de frequência, que utiliza a energia elétrica regenerada no resistor de frenagem para efetuar a frenagem. Esta é a forma mais direta e simples de processar a energia regenerada. Ela é consumida no resistor através de um circuito de frenagem dedicado e convertida em energia térmica. Este resistor é denominado frenagem resistiva.
As características da frenagem por consumo de energia são o circuito simples e o baixo custo. No entanto, durante o processo de frenagem, à medida que a velocidade do motor diminui, a energia cinética do sistema de acionamento também diminui, resultando em uma redução da capacidade regenerativa e do torque de frenagem do motor. Portanto, em sistemas de arrasto com alta inércia, é comum encontrar o fenômeno de "arrasto" em baixas velocidades, o que afeta a precisão do tempo ou da posição de estacionamento. Assim, a frenagem por consumo de energia é aplicável apenas a estacionamentos com cargas gerais. A frenagem por consumo de energia é composta por duas partes: a unidade de frenagem e o resistor de frenagem.
(1) Unidade de frenagem
A função da unidade de frenagem é conectar o circuito de dissipação de energia quando a tensão Ud do circuito CC excede o limite especificado, permitindo que o circuito CC libere energia na forma de energia térmica após passar pelo resistor de frenagem. A unidade de frenagem pode ser dividida em dois tipos: integrada e externa. O tipo integrado é adequado para conversores de frequência de uso geral de baixa potência, enquanto o tipo externo é adequado para conversores de frequência de alta potência ou condições de trabalho com requisitos especiais de frenagem. Em princípio, não há diferença entre os dois. A unidade de frenagem serve como uma "chave" para conectar o resistor de frenagem, que inclui um transistor de potência, um circuito de comparação de amostragem de tensão e um circuito de acionamento.
(2) Resistor de frenagem
O resistor de frenagem é um componente que dissipa a energia regenerativa de um motor elétrico na forma de energia térmica, e possui dois parâmetros importantes: valor da resistência e capacidade de potência. Dois tipos comuns de resistores em engenharia são os resistores corrugados e os resistores de liga de alumínio: os resistores corrugados utilizam ondulações verticais na superfície para facilitar a dissipação de calor e reduzir a indutância parasita, e revestimentos inorgânicos de alta resistência à chama são selecionados para proteger eficazmente os fios resistivos do envelhecimento e prolongar sua vida útil; os resistores de liga de alumínio possuem melhor resistência às intempéries e à vibração do que os resistores tradicionais com invólucro de porcelana, sendo amplamente utilizados em ambientes agressivos com altas exigências. Eles são fáceis de instalar, permitem a fixação de dissipadores de calor e possuem uma aparência esteticamente agradável.
O processo de frenagem com consumo de energia é o seguinte: quando o motor elétrico desacelera ou inverte o sentido de rotação sob a ação de uma força externa (incluindo arrasto), ele opera em estado de geração de energia, e essa energia é realimentada ao circuito CC, causando um aumento na tensão do barramento. A unidade de frenagem monitora a tensão do barramento. Quando a tensão CC atinge o valor de condução definido pela unidade de frenagem, o transistor de potência da unidade conduz, permitindo a passagem de corrente pelo resistor de frenagem. O resistor de frenagem converte a energia elétrica em energia térmica, reduzindo a velocidade do motor e diminuindo a tensão do barramento CC. Quando a tensão do barramento cai para o valor de corte definido pela unidade de frenagem, o transistor de potência da unidade é desligado, interrompendo a passagem de corrente pelo resistor de frenagem.
A distância da fiação entre a unidade de frenagem e o conversor de frequência, bem como entre a unidade de frenagem e o resistor de frenagem, deve ser a menor possível (com comprimento de fio inferior a 2 m), e a seção transversal do fio deve atender aos requisitos da corrente de descarga do resistor de frenagem. Quando a unidade de frenagem estiver em funcionamento, o resistor de frenagem gerará uma grande quantidade de calor. O resistor de frenagem deve ter boas condições de dissipação de calor e fios resistentes ao calor devem ser usados para conectá-lo. Os fios não devem tocar o resistor de frenagem. O resistor de frenagem deve ser fixado firmemente com almofadas isolantes e a posição de instalação deve garantir boa dissipação de calor. Ao instalar o resistor de frenagem no gabinete, ele deve ser instalado na parte superior do gabinete do conversor de frequência.
2. Seleção da unidade de frenagem
Em geral, ao frear um motor elétrico, ocorre uma certa perda interna, que corresponde a cerca de 18% a 22% do torque nominal. Portanto, se o torque de frenagem necessário for calculado como inferior a 18% a 22% do torque nominal do motor, não há necessidade de conectar o dispositivo de frenagem.
Ao selecionar uma unidade de frenagem, a corrente máxima de operação da unidade é o único critério de seleção.
3. Seleção otimizada do resistor de frenagem
Durante o funcionamento da unidade de frenagem, a subida e a descida da tensão do barramento CC dependem da constante RC, onde R é o valor da resistência do resistor de frenagem e C é a capacitância do capacitor interno do conversor de frequência.
O valor da resistência do resistor de frenagem é muito alto, causando frenagem lenta. Se for muito baixo, os componentes do interruptor de frenagem são facilmente danificados. Geralmente, quando a inércia da carga não é muito grande, acredita-se que até 70% da energia consumida pelo motor durante a frenagem seja consumida pelo resistor de frenagem, e 30% da energia seja consumida por diversas perdas do próprio motor e da carga.
A potência dissipada pelo resistor de frenagem em baixas frequências geralmente corresponde a 1/4 a 1/5 da potência do motor, sendo necessário aumentar essa potência durante frenagens frequentes. Alguns conversores de frequência de baixa capacidade possuem resistores de frenagem internos, porém, em frenagens de alta frequência ou sob cargas gravitacionais, esses resistores internos apresentam dissipação de calor insuficiente e são propensos a danos. Nesses casos, devem ser utilizados resistores de frenagem externos de alta potência. Todos os tipos de resistores de frenagem devem ser fabricados com baixa indutância; os fios de conexão devem ser curtos e em pares trançados ou paralelos. Medidas de baixa indutância devem ser tomadas para evitar e reduzir a energia indutiva que pode ser adicionada ao transistor de frenagem, causando danos a ele. Se a indutância do circuito for alta e a resistência baixa, isso também causará danos ao transistor de frenagem.
A resistência à frenagem está intimamente relacionada ao torque do volante do motor elétrico, e o torque do volante do motor elétrico varia durante o funcionamento. Portanto, é difícil calcular com precisão a resistência à frenagem, sendo geralmente obtido um valor aproximado por meio de fórmulas empíricas.
Na fórmula, RZ>=(2 × UD)/Ie é a corrente nominal do conversor de frequência; UD é a tensão do barramento CC do conversor de frequência.
Devido ao modo de operação de curto prazo do resistor de frenagem, com base nas características e especificações técnicas do resistor, a potência nominal do resistor de frenagem no sistema de regulação de velocidade de frequência variável pode ser calculada geralmente usando a seguinte fórmula:
PB = K × Pav × η%, onde PB é a potência nominal do resistor de frenagem; K é o coeficiente de redução de potência do resistor de frenagem; Pav é o consumo médio de energia durante a frenagem; η é a taxa de utilização da frenagem.
Para reduzir a resistência dos resistores de frenagem, diversos fabricantes de conversores de frequência costumam fornecer resistores com o mesmo valor de resistência para motores de diferentes capacidades. Consequentemente, a diferença no torque de frenagem obtido durante o processo de frenagem é significativa. Por exemplo, o conversor de frequência da série Emerson TD3000 oferece um resistor de frenagem com especificação de 3 kW e 20 Ω para motores de 22 kW, 30 kW e 37 kW. Quando a unidade de frenagem opera com uma tensão CC de 700 V, a corrente de frenagem é:
IB=700/20=35A
A potência do resistor de frenagem é:
PB0=(700)2/20=24,5kW
A unidade de frenagem e o resistor de frenagem utilizados no sistema de regulação de velocidade por frequência variável são configurações essenciais para a operação segura e confiável do sistema, considerando a regeneração de energia e os requisitos de estacionamento preciso. Portanto, ao selecionar o sistema de regulação de velocidade por frequência variável adequado, a escolha da unidade de frenagem e do resistor de frenagem deve ser otimizada. Isso não apenas reduz a probabilidade de falhas no sistema, como também permite que o sistema projetado apresente altos indicadores de desempenho dinâmico.