ブレーキユニットサプライヤーの皆様へ、産業オートメーション生産の発展に伴い、周波数変換器の使用頻度が増加していることをご承知おきください。生産効率を最大限に高めるには、エネルギー消費型ブレーキユニットや制動抵抗器といった周波数変換器の補助設備を増強し、生産効率を向上させることが必要となる場合が多くあります。本稿では、周波数変換器におけるエネルギー消費型ブレーキの特性、欠点、構成に基づき、周波数変換器におけるエネルギー消費型ブレーキユニットと制動抵抗器の最適な選定方法を分析します。
1.周波数変換器のエネルギー消費ブレーキ
エネルギー消費ブレーキは、周波数変換器の直流側にブレーキユニット部品を設置し、回生された電気エネルギーを制動抵抗器で消費して制動を行う方式です。これは回生エネルギーを処理する最も直接的かつ簡単な方法です。専用のエネルギー消費ブレーキ回路を介して抵抗器で回生エネルギーを消費し、熱エネルギーに変換します。この抵抗器は抵抗ブレーキと呼ばれます。
エネルギー消費ブレーキは、回路がシンプルで価格が安いという特徴があります。しかし、ブレーキ作動中、モーターの回転速度が低下すると駆動システムの運動エネルギーも低下し、モーターの回生能力と制動トルクが低下します。そのため、慣性が大きいドラッグシステムでは、低速時に「クローリング」現象が発生することが多く、駐車時間や位置の精度に影響を与えます。そのため、エネルギー消費ブレーキは一般的な負荷での駐車にのみ適用できます。エネルギー消費ブレーキは、ブレーキユニットと制動抵抗器の2つの部分で構成されています。
（1）ブレーキユニット
制動ユニットの機能は、直流回路の電圧Udが規定の限度を超えたときにエネルギー消費回路を接続し、直流回路が制動抵抗器を通過した後、熱エネルギーの形でエネルギーを放出できるようにすることです。制動ユニットは内蔵型と外付け型の2種類に分けられます。内蔵型は低電力の汎用周波数変換器に適しており、外付け型は高電力周波数変換器や制動に特別な要件がある動作条件に適しています。原理的には、両者に違いはありません。制動ユニットは、制動抵抗器を接続するための「スイッチ」として機能し、パワートランジスタ、電圧サンプリング比較回路、駆動回路などで構成されています。
（２）制動抵抗器
制動抵抗器は、電気モーターの回生エネルギーを熱エネルギーの形で消費するために使用されるキャリアであり、抵抗値と電力容量という2つの重要なパラメータが含まれます。エンジニアリングでよく使用される抵抗器の種類は、コルゲート抵抗器とアルミニウム合金抵抗器の2つです。コルゲート抵抗器は、表面の垂直波形を使用して放熱を促進し、寄生インダクタンスを低減し、難燃性の高い無機コーティングを選択して抵抗線の老化を効果的に防ぎ、耐用年数を延ばします。アルミニウム合金抵抗器は、従来の磁器フレーム抵抗器よりも耐候性と耐振性に優れており、厳しい要求の厳しい環境で広く使用されています。しっかりと取り付けやすく、ヒートシンクの取り付けも簡単で、外観も美しいです。
エネルギー消費ブレーキのプロセスは次のとおりです。電動モーターが外力（引きずりを含む）を受けて減速または逆転すると、電動モーターは発電状態で動作し、エネルギーがDC回路にフィードバックされ、バス電圧が上昇します。ブレーキユニットはバス電圧をサンプリングします。DC電圧がブレーキユニットによって設定された導通値に達すると、ブレーキユニットの電源スイッチチューブが導通し、ブレーキ抵抗器に電流が流れます。ブレーキ抵抗器は電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、モーターの速度を低下させ、DCバス電圧を下げます。バス電圧がブレーキユニットによって設定されたカットオフ値まで低下すると、ブレーキユニットのスイッチングパワートランジスタがカットオフされ、ブレーキ抵抗器に電流が流れなくなります。
制動ユニットと周波数変換器間、および制動ユニットと制動抵抗器間の配線距離は、できる限り短く（配線長2m未満）、配線断面積は制動抵抗器の放電電流要件を満たす必要があります。制動ユニットが作動すると、制動抵抗器は大量の熱を発生します。制動抵抗器は放熱性が良好である必要があり、制動抵抗器を接続するには耐熱電線を使用する必要があります。電線が制動抵抗器に触れないようにしてください。制動抵抗器は絶縁パッドでしっかりと固定し、設置位置は良好な放熱性を確保する必要があります。制動抵抗器をキャビネットに設置する場合は、周波数変換器キャビネットの上部に設置する必要があります。
2. ブレーキユニットの選択
一般的に、電動モーターを制動する場合、モーター内部で一定の損失が発生し、その値は定格トルクの約18%～22%です。したがって、必要な制動トルクがモーターの定格トルクの18%～22%未満であると計算される場合、ブレーキ装置を接続する必要はありません。
ブレーキユニットを選択する場合、ブレーキユニットの最大動作電流が選択の唯一の基準となります。
3. 制動抵抗器の最適化選定
ブレーキユニットの動作中、DC バス電圧の上昇と下降は定数 RC に依存します。ここで、R はブレーキ抵抗器の抵抗値、C は周波数変換器の内部コンデンサの容量です。
制動抵抗器の抵抗値が高すぎると、ブレーキが効きにくくなります。また、抵抗値が小さすぎると、ブレーキスイッチ部品が損傷しやすくなります。一般的に、負荷の慣性がそれほど大きくない場合、モータの制動時に消費されるエネルギーの最大70%は制動抵抗器で消費され、残りの30%はモータ自体と負荷の各種損失によって消費されると考えられています。
低周波ブレーキ時の制動抵抗器の消費電力は、通常、モータ電力の1/4～1/5であり、頻繁なブレーキ時には消費電力を増やす必要があります。一部の小容量周波数変換器には制動抵抗器が内蔵されていますが、高周波または重力負荷でブレーキをかける場合、内部の制動抵抗器は放熱不足で損傷しやすくなります。このような場合は、代わりに高出力の外付け制動抵抗器を使用する必要があります。すべてのタイプの制動抵抗器は、低インダクタンス構造の抵抗器を使用する必要があります。接続線は短く、ツイストペアまたは平行線を使用する必要があります。低インダクタンス対策を講じることで、インダクタンスのエネルギーがブレーキスイッチチューブに加わってブレーキスイッチチューブが損傷するのを防ぎ、減らすことができます。回路のインダクタンスが大きく、抵抗が小さいと、ブレーキスイッチチューブが損傷します。
ブレーキ抵抗は電動モータのフライホイールトルクと密接に関係しており、電動モータのフライホイールトルクは運転中に変化するため、ブレーキ抵抗を正確に計算することは困難であり、通常は経験式を用いて近似値を求めます。
RZ>=(2 × UD)/式中：Ie 周波数変換器の定格電流；UD 周波数変換器のDCバス電圧
制動抵抗器の短期動作モードにより、抵抗器の特性と技術仕様に基づいて、可変周波数速度制御システムにおける制動抵抗器の公称電力は、通常、次の式を使用して計算できます。
PB=K × Pav × η%、ここでPBはブレーキ抵抗器の公称電力、Kはブレーキ抵抗器のディレーティング係数、Pavはブレーキ時の平均消費電力、ηはブレーキ利用率です。
制動抵抗器の抵抗レベルを下げるため、周波数変換器メーカーは、複数の異なる容量のモータに対して、同じ抵抗値の制動抵抗器を提供することがよくあります。そのため、制動プロセス中に得られる制動トルクには大きな差があります。例えば、エマーソンTD3000シリーズ周波数変換器は、モータ容量が22kW、30kW、および37kWの周波数変換器に対して、3kWおよび20Ωの制動抵抗器仕様を提供しています。制動ユニットが700Vの直流電圧で導通する場合、制動電流は次のようになります。
IB=700/20=35A
ブレーキ抵抗器の電力は次のとおりです。
PB0=(700)2/20=24.5kW
可変周波数速度制御システムに使用されるブレーキユニットと制動抵抗器は、回生エネルギーと正確な駐車要件を備えた可変周波数速度制御システムの安全で信頼性の高い動作に不可欠な構成です。したがって、適切な可変周波数速度制御システムを選択する際には、ブレーキユニットと制動抵抗器の選択を最適化する必要があります。これにより、可変周波数速度制御システムの故障の可能性が低減されるだけでなく、設計された可変周波数速度制御システムは高い動的性能指標を備えることができます。