Jarrutusyksiköiden toimittajat muistuttavat, että teollisuusautomaatiotuotannon kehittyessä taajuusmuuttajien käyttötaajuus on lisääntynyt. Maksimaalisen tuotantotehokkuuden saavuttamiseksi on usein tarpeen lisätä taajuusmuuttajien tukilaitteita, kuten energiaa kuluttavia jarruyksiköitä ja jarruvastuksia, tuotantotehokkuuden parantamiseksi. Tässä artikkelissa analysoidaan taajuusmuuttajien energiaa kuluttavien jarruyksiköiden ja jarruvastusten optimointimenetelmiä taajuusmuuttajien jarrutusyksiköiden optimoinnin valintamenetelmien pohjalta, perustuen taajuusmuuttajien energiaa kuluttavien jarrutusten ominaisuuksiin, puutteisiin ja koostumukseen.
1. Taajuusmuuttajan jarrutuksen energiankulutus
Energiankulutusjarrutuksessa käytetään menetelmää, jossa taajuusmuuttajan tasavirtapuolelle asennetaan jarruyksikkökomponentti, joka kuluttaa jarruvastuksen tuottamaa sähköenergiaa jarrutuksen aikaansaamiseksi. Tämä on suorin ja yksinkertaisin tapa käsitellä regeneroitua energiaa. Se kuluttaa vastuksen tuottaman sähköenergian erillisen energiankulutusjarrutuspiirin kautta ja muuntaa sen lämpöenergiaksi. Tätä vastusta kutsutaan vastusjarrutukseksi.
Energiankulutusjarrutuksen ominaisuuksia ovat yksinkertainen kytkentä ja edullinen hinta. Jarrutusprosessin aikana moottorin nopeuden laskiessa myös käyttöjärjestelmän liike-energia vähenee, mikä johtaa moottorin regeneratiivisen kapasiteetin ja jarrutusmomentin heikkenemiseen. Siksi suuren inertian omaavissa jarrujärjestelmissä on yleistä kohdata "ryömimisen" ilmiö pienillä nopeuksilla, mikä vaikuttaa pysäköintiajan tai -paikan tarkkuuteen. Siksi energiankulutusjarrutusta voidaan soveltaa vain yleisillä kuormilla pysäköidessä. Energiankulutusjarrutus koostuu kahdesta osasta: jarruyksiköstä ja jarruvastuksesta.
(1) Jarruyksikkö
Jarrutusyksikön tehtävänä on kytkeä energiahäviöpiiri, kun tasavirtapiirin jännite Ud ylittää määritellyn rajan, jolloin tasavirtapiiri voi vapauttaa energiaa lämpöenergian muodossa jarruvastuksen läpi kulkemisen jälkeen. Jarrutusyksikkö voidaan jakaa kahteen tyyppiin: sisäänrakennettu ja ulkoinen. Sisäänrakennettu tyyppi sopii pienitehoisiin yleiskäyttöisiin taajuusmuuttajiin, kun taas ulkoinen tyyppi sopii suuritehoisiin taajuusmuuttajiin tai käyttöolosuhteisiin, joissa on erityisiä jarrutusvaatimuksia. Periaatteessa näiden kahden välillä ei ole eroa. Jarrutusyksikkö toimii "kytkimenä" jarruvastuksen kytkemiseksi, joka sisältää tehotransistorin, jännitteen näytteenottovertailupiirin ja käyttöpiirin.
(2) Jarruvastus
Jarruvastus on sähkömoottorin regeneratiivisen energian kuljettaja lämpöenergian muodossa, johon kuuluu kaksi tärkeää parametria: resistanssiarvo ja tehokapasiteetti. Kaksi yleisesti käytettyä vastustyyppiä tekniikassa ovat aallotetut vastukset ja alumiiniseosvastukset: aallotetuissa vastuksissa käytetään pinnan pystysuuntaisia aallotuksia lämmönpoistumisen helpottamiseksi ja loisinduktanssin vähentämiseksi, ja erittäin palonestoaineelliset epäorgaaniset pinnoitteet on valittu suojaamaan vastuslankoja tehokkaasti ikääntymiseltä ja pidentämään niiden käyttöikää. Alumiiniseosvastuksilla on parempi säänkestävyys ja tärinänkestävyys kuin perinteisillä posliinirunkovastuksilla, ja niitä käytetään laajalti ankarissa ympäristöissä, joissa on korkeat vaatimukset. Ne on helppo asentaa tiiviisti, helppo kiinnittää jäähdytyselementteihin ja niillä on kaunis ulkonäkö.
Energiankulutusjarrutusprosessi on seuraava: kun sähkömoottori hidastuu tai peruuttaa ulkoisen voiman (mukaan lukien vetäminen) vaikutuksesta, sähkömoottori käy generatiivisessa tilassa ja energia syötetään takaisin tasavirtapiiriin, jolloin väyläjännite nousee; Jarrutusyksikkö ottaa näytteitä väyläjännitteestä. Kun tasavirtajännite saavuttaa jarrutusyksikön asettaman johtavuusarvon, jarrutusyksikön virtakytkinputki johtaa ja virta kulkee jarruvastuksen läpi; Jarrutusvastus muuntaa sähköenergian lämpöenergiaksi, mikä hidastaa moottorin nopeutta ja alentaa tasavirtaväyläjännitettä; Kun väyläjännite laskee jarrutusyksikön asettamaan katkaisuarvoon, jarrutusyksikön kytkentätehotransistori katkaistaan eikä virta kulje jarruvastuksen läpi.
Jarruyksikön ja taajuusmuuttajan sekä jarruyksikön ja jarruvastuksen välisen johdotusetäisyyden tulee olla mahdollisimman lyhyt (alle 2 m johtimen pituudella), ja johtimen poikkileikkauksen tulee täyttää jarruvastuksen purkausvirran vaatimukset. Jarruyksikön ollessa toiminnassa jarruvastus tuottaa paljon lämpöä. Jarruvastuksen lämmönpoisto-olosuhteiden tulee olla hyvät, ja jarruvastuksen kytkemiseen tulee käyttää lämmönkestäviä johtoja. Johdot eivät saa koskettaa jarruvastusta. Jarruvastus on kiinnitettävä tiukasti eristystyynyillä, ja asennusasennon on varmistettava hyvä lämmönpoisto. Kun jarruvastus asennetaan kaappiin, se tulee asentaa taajuusmuuttajan kaapin päälle.
2. Jarruyksikön valinta
Yleisesti ottaen sähkömoottoria jarrutettaessa moottorin sisällä syntyy tietty häviö, joka on noin 18–22 % nimellismomentista. Jos tarvittava jarrutusmomentti lasketaan olevan alle 18–22 % moottorin nimellismomentista, jarrulaitetta ei tarvitse kytkeä.
Jarruyksikköä valittaessa ainoa valintaperuste on jarruyksikön suurin käyttövirta.
3. Jarruvastuksen optimointivalinta
Jarrutusyksikön käytön aikana tasavirtakiskon jännitteen nousu ja lasku riippuvat vakiosta RC, jossa R on jarrutusvastuksen resistanssiarvo ja C on taajuusmuuttajan sisäisen kondensaattorin kapasiteetti.
Jarrutusvastuksen resistanssiarvo on liian suuri, mikä aiheuttaa hitaan jarrutuksen. Jos se on liian pieni, jarrutuskytkimen komponentit vaurioituvat helposti. Yleisesti ottaen, kun kuorman inertia ei ole liian suuri, uskotaan, että jopa 70 % moottorin jarrutuksen aikana kuluttamasta energiasta kuluu jarrutusvastukseen ja 30 % energiasta kuluu moottorin itsensä ja kuorman erilaisiin häviöihin.
Jarrutusvastuksen häviöteho matalataajuisessa jarrutuksessa on yleensä 1/4–1/5 moottorin tehosta, ja häviötehoa on lisättävä tiheän jarrutuksen aikana. Joissakin pienikapasiteettisissa taajuusmuuttajissa on sisäisiä jarrutusvastuksia, mutta suurilla taajuuksilla tai painovoimakuormilla jarrutettaessa sisäisten jarrutusvastuksien lämmönhukka on riittämätön ja ne ovat alttiita vaurioille. Tässä tapauksessa tulisi käyttää suuritehoisia ulkoisia jarruvastuksia. Kaikentyyppisten jarruvastusten tulisi käyttää matalainduktanssirakenteisia vastuksia; kytkentäjohtimen tulee olla lyhyt ja kierretty pari- tai rinnakkaisjohdin. Matalainduktanssitoimenpiteitä on toteutettava estääkseen ja vähentääkseen induktanssienergian kertymistä jarrukytkimen putkeen, mikä voi aiheuttaa vaurioita jarrukytkimen putkelle. Jos piirin induktanssi on suuri ja vastus pieni, se voi aiheuttaa vaurioita jarrukytkimen putkelle.
Jarrutusvastus liittyy läheisesti sähkömoottorin vauhtipyörän vääntömomenttiin, ja sähkömoottorin vauhtipyörän vääntömomentti vaihtelee käytön aikana. Siksi jarrutusvastuksen tarkka laskeminen on vaikeaa, ja yleensä saadaan likimääräinen arvo empiiristen kaavojen avulla.
RZ>=(2 × UD)/Kaavassa: Ie taajuusmuuttajan nimellisvirta; UD-taajuusmuuttajan tasavirtakiskon jännite
Jarruvastuksen lyhytaikaisen toimintatilan vuoksi vastuksen ominaisuuksien ja teknisten tietojen perusteella jarruvastuksen nimellisteho muuttuvan taajuuden nopeussäätöjärjestelmässä voidaan yleensä laskea seuraavalla kaavalla:
PB=K × Pav × η%, jossa PB on jarruvastuksen nimellisteho; K on jarruvastuksen kuormituskerroin; Pav on keskimääräinen tehonkulutus jarrutuksen aikana; η on jarrutuksen käyttöaste.
Jarruvastusten resistanssitason pienentämiseksi eri taajuusmuuttajavalmistajat toimittavat usein saman resistanssin omaavia jarruvastuksia useille eri moottorien kapasiteeteille. Siksi jarrutusprosessin aikana saavutettava jarrutusmomentin ero on merkittävä. Esimerkiksi Emerson TD3000 -sarjan taajuusmuuttaja tarjoaa 3 kW:n ja 20 Ω:n jarruvastuksen taajuusmuuttajille, joiden moottorikapasiteetit ovat 22 kW, 30 kW ja 37 kW. Kun jarruyksikkö johtaa 700 V:n tasajännitettä, jarrutusvirta on:
IB=700/20=35A
Jarruvastuksen teho on:
PB0 = (700)2/20 = 24,5 kW
Muuttuvan taajuuden nopeudensäätöjärjestelmässä käytettävä jarruyksikkö ja jarruvastus ovat olennaisia kokoonpanoja muuttuvan taajuuden nopeudensäätöjärjestelmän turvallisen ja luotettavan toiminnan kannalta regeneratiivisen energian ja tarkkojen pysäköintivaatimusten avulla. Siksi oikeaa muuttuvan taajuuden nopeudensäätöjärjestelmää valittaessa jarruyksikön ja jarruvastuksen valinta on optimoitava. Tämä ei ainoastaan vähennä muuttuvan taajuuden nopeudensäätöjärjestelmän vikaantumisriskiä, vaan myös mahdollistaa suunnitellun muuttuvan taajuuden nopeudensäätöjärjestelmän korkeat dynaamiset suorituskykyindikaattorit.