Поставщики тормозных устройств напоминают, что с развитием промышленной автоматизации производства частота использования преобразователей частоты растёт. Для достижения максимальной эффективности производства зачастую требуется увеличение количества вспомогательного оборудования преобразователей частоты, такого как энергоёмкие тормозные устройства и тормозные резисторы. Исходя из характеристик, недостатков и состава энергоёмкого торможения в преобразователях частоты, в данной статье анализируются методы оптимизации выбора энергоёмких тормозных устройств и тормозных резисторов в преобразователях частоты.
1. Энергопотребление торможения преобразователя частоты
Метод энергосберегающего торможения заключается в установке тормозного модуля на стороне постоянного тока преобразователя частоты, который использует рекуперированную электрическую энергию на тормозном резисторе для обеспечения торможения. Это наиболее прямой и простой способ использования рекуперированной энергии. Рекуперированная энергия потребляется резистором через специальную цепь энергосберегающего торможения и преобразуется в тепловую энергию. Такой резистор называется резистивным торможением.
Энергосберегающее торможение характеризуется простотой схемы и низкой стоимостью. Однако в процессе торможения по мере снижения скорости двигателя кинетическая энергия приводной системы также уменьшается, что приводит к снижению рекуперативной способности и тормозного момента двигателя. Поэтому в системах с высокой инерцией часто встречается явление «ползания» на низких скоростях, что влияет на точность определения времени или положения парковки. Поэтому энергосберегающее торможение применимо только для парковки с обычной нагрузкой. Энергосберегающее торможение состоит из двух компонентов: тормозного блока и тормозного резистора.
(1) Тормозной блок
Функция тормозного блока заключается в подключении цепи рассеивания энергии при превышении напряжением Ud цепи постоянного тока заданного предела, что позволяет цепи постоянного тока высвобождать энергию в виде тепла после прохождения через тормозной резистор. Тормозные блоки можно разделить на два типа: встроенные и внешние. Встроенный тип подходит для маломощных преобразователей частоты общего назначения, а внешний — для мощных преобразователей частоты или для условий работы с особыми требованиями к торможению. Принципиальной разницы между ними нет. Тормозной блок служит «коммутатором» для подключения тормозного резистора, который включает в себя силовой транзистор, схему сравнения выборки напряжения и схему управления.
(2) Тормозной резистор
Тормозной резистор – это устройство, используемое для потребления рекуперативной энергии электродвигателя в виде тепловой энергии, которая включает два важных параметра: величину сопротивления и мощность. В технике широко используются два типа резисторов: гофрированные резисторы и резисторы из алюминиевого сплава. Гофрированные резисторы используют вертикальные гофры на поверхности для облегчения рассеивания тепла и снижения паразитной индуктивности, а также неорганические покрытия с высокой огнестойкостью, которые эффективно защищают резистивные провода от старения и продлевают срок их службы. Резисторы из алюминиевого сплава обладают лучшей атмосферостойкостью и вибростойкостью, чем традиционные фарфоровые резисторы, и широко используются в суровых условиях с высокими требованиями. Они легко устанавливаются, легко крепятся к радиаторам и имеют привлекательный внешний вид.
Процесс торможения с потреблением энергии происходит следующим образом: когда электродвигатель замедляется или реверсирует под действием внешней силы (в том числе при буксировке), электродвигатель работает в режиме генерации, и энергия возвращается в цепь постоянного тока, вызывая рост напряжения на шине; Тормозной блок измеряет напряжение на шине. Когда напряжение постоянного тока достигает значения проводимости, установленного тормозным блоком, силовой выключатель тормозного блока проводит ток, и ток протекает через тормозной резистор; Тормозной резистор преобразует электрическую энергию в тепловую, уменьшая скорость двигателя и понижая напряжение на шине постоянного тока; Когда напряжение на шине падает до значения отсечки, установленного тормозным блоком, силовой транзистор тормозного блока отключается, и ток через тормозной резистор больше не протекает.
Расстояние проводки между тормозным блоком и преобразователем частоты, а также между тормозным блоком и тормозным резистором должно быть как можно короче (с длиной провода менее 2 м), а сечение провода должно соответствовать требованиям по току разряда тормозного резистора. При работе тормозного блока тормозной резистор будет выделять большое количество тепла. Тормозной резистор должен иметь хорошие условия отвода тепла, и для подключения тормозного резистора следует использовать термостойкие провода. Провода не должны касаться тормозного резистора. Тормозной резистор должен быть надежно закреплен изолирующими прокладками, а место установки должно обеспечивать хороший отвод тепла. При установке тормозного резистора в шкафу его следует устанавливать сверху шкафа преобразователя частоты.
2. Выбор тормозного устройства
Как правило, при торможении электродвигателя возникают определённые потери внутри него, составляющие примерно 18–22% от номинального момента. Поэтому, если требуемый тормозной момент, согласно расчёту, составляет менее 18–22% от номинального момента двигателя, подключение тормозного устройства не требуется.
При выборе тормозного устройства основой выбора является только максимальный рабочий ток тормозного устройства.
3. Оптимизация выбора тормозного резистора
Во время работы тормозного устройства рост и падение напряжения на шине постоянного тока зависят от постоянной RC, где R — сопротивление тормозного резистора, а C — емкость внутреннего конденсатора преобразователя частоты.
Слишком большое сопротивление тормозного резистора приводит к медленному торможению. Если оно слишком мало, компоненты тормозного выключателя легко повреждаются. Как правило, при небольшой инерции нагрузки считается, что до 70% энергии, потребляемой двигателем во время торможения, потребляется тормозным резистором, а 30% энергии – различными потерями в самом двигателе и нагрузке.
Рассеиваемая мощность тормозного резистора для низкочастотного торможения обычно составляет от 1/4 до 1/5 мощности двигателя, и рассеиваемую мощность необходимо увеличивать при частом торможении. Некоторые маломощные преобразователи частоты оснащены внутренними тормозными резисторами, но при торможении на высоких частотах или гравитационных нагрузках внутренние тормозные резисторы имеют недостаточное рассеивание тепла и подвержены повреждению. В этом случае вместо них следует использовать мощные внешние тормозные резисторы. Все типы тормозных резисторов должны использовать резисторы с низкоиндуктивной структурой; Соединительный провод должен быть коротким, и следует использовать витую пару или параллельный провод. Следует принять меры по снижению индуктивности, чтобы предотвратить и уменьшить добавление энергии индуктивности в трубку тормозного выключателя, что может привести к повреждению трубки тормозного выключателя. Если индуктивность цепи большая, а сопротивление мало, это приведет к повреждению трубки тормозного выключателя.
Тормозное сопротивление тесно связано с крутящим моментом маховика электродвигателя, который в процессе работы изменяется. Поэтому точно рассчитать тормозное сопротивление сложно, и обычно его приблизительное значение получают с помощью эмпирических формул.
RZ>=(2 × UD)/В формуле: Ie — номинальный ток преобразователя частоты; UD — напряжение постоянного тока звена преобразователя частоты
В связи с кратковременным режимом работы тормозного резистора, исходя из его характеристик и технических характеристик, номинальную мощность тормозного резистора в системе частотного регулирования скорости в общем случае можно рассчитать по следующей формуле:
PB=K × Pav × η%, где PB — номинальная мощность тормозного резистора; K — коэффициент снижения мощности тормозного резистора; Pav — средняя потребляемая мощность во время торможения; η — коэффициент использования торможения.
Чтобы снизить уровень сопротивления тормозных резисторов, различные производители преобразователей частоты часто предлагают тормозные резисторы с одинаковым сопротивлением для двигателей различной мощности. Поэтому разница в тормозном моменте, достигаемом в процессе торможения, значительна. Например, преобразователь частоты серии Emerson TD3000 имеет тормозной резистор мощностью 3 кВт и сопротивлением 20 Ом для двигателей мощностью 22 кВт, 30 кВт и 37 кВт. При работе тормозного блока под напряжением 700 В постоянного тока ток торможения равен:
ИБ=700/20=35А
Мощность тормозного резистора составляет:
PB0=(700)2/20=24,5 кВт
Тормозной блок и тормозной резистор, используемые в системе частотного регулирования скорости, являются важнейшими элементами для безопасной и надежной работы системы частотного регулирования скорости с рекуперацией энергии и точным соблюдением требований к парковке. Поэтому при выборе правильной системы частотного регулирования скорости следует оптимизировать выбор тормозного блока и тормозного резистора. Это не только снижает вероятность возникновения неисправностей в системе частотного регулирования скорости, но и обеспечивает высокие динамические показатели разработанной системы частотного регулирования скорости.