Dodávatelia brzdových jednotiek pripomínajú, že s rozvojom priemyselnej automatizácie výroby sa zvyšuje frekvencia používania frekvenčných meničov. Na dosiahnutie maximálnej efektivity výroby je často potrebné zvýšiť podporné vybavenie frekvenčných meničov, ako sú brzdové jednotky a brzdové odpory spotrebúvajúce energiu, aby sa zlepšila efektivita výroby. Na základe charakteristík, nedostatkov a zloženia brzdenia spotrebúvajúceho energiu vo frekvenčných meničoch tento článok analyzuje metódy optimalizácie výberu brzdových jednotiek a brzdových odporov spotrebúvajúcich energiu vo frekvenčných meničoch.
1. Spotreba energie pri brzdení frekvenčného meniča
Metóda používaná na brzdenie so spotrebou energie spočíva v inštalácii brzdovej jednotky na jednosmernú stranu frekvenčného meniča, ktorá spotrebúva regenerovanú elektrickú energiu na brzdovom rezistore na dosiahnutie brzdenia. Toto je najpriamejší a najjednoduchší spôsob spracovania regenerovanej energie. Regenerovaná energia sa spotrebúva na rezistore prostredníctvom vyhradeného brzdného obvodu so spotrebou energie a premieňa sa na tepelnú energiu. Tento rezistor sa nazýva odporové brzdenie.
Charakteristickými znakmi brzdenia so spotrebou energie sú jednoduchý obvod a nízka cena. Počas brzdenia sa však s klesajúcou rýchlosťou motora znižuje aj kinetická energia hnacieho systému, čo vedie k zníženiu regeneratívnej kapacity a brzdného momentu motora. Preto sa v brzdových systémoch s vysokou zotrvačnosťou bežne vyskytuje jav „plazenia“ pri nízkych rýchlostiach, ktorý ovplyvňuje presnosť času alebo polohy parkovania. Brzdenie so spotrebou energie sa preto vzťahuje iba na parkovanie so všeobecným zaťažením. Brzdenie so spotrebou energie pozostáva z dvoch častí: brzdovej jednotky a brzdového odporu.
(1) Brzdová jednotka
Funkciou brzdovej jednotky je zapojiť obvod na rozptyl energie, keď napätie Ud jednosmerného obvodu prekročí stanovený limit, čo umožňuje jednosmernému obvodu uvoľniť energiu vo forme tepelnej energie po prechode brzdovým odporom. Brzdové jednotky možno rozdeliť na dva typy: vstavané a externé. Vstavaný typ je vhodný pre nízkovýkonné univerzálne frekvenčné meniče, zatiaľ čo externý typ je vhodný pre vysokovýkonné frekvenčné meniče alebo pre pracovné podmienky so špeciálnymi požiadavkami na brzdenie. V princípe medzi nimi nie je žiadny rozdiel. Brzdová jednotka slúži ako „spínač“ na pripojenie brzdového odporu, ktorý obsahuje výkonový tranzistor, obvod na porovnávanie vzoriek napätia a budiaci obvod.
(2) Brzdný odpor
Brzdný rezistor je nosič používaný na spotrebu regeneratívnej energie elektromotora vo forme tepelnej energie, ktorá zahŕňa dva dôležité parametre: hodnotu odporu a výkon. Dva bežne používané typy rezistorov v strojárstve sú vlnité rezistory a rezistory zo zliatin hliníka: vlnité rezistory používajú vertikálne zvlnenie povrchu na uľahčenie odvodu tepla a zníženie parazitnej indukčnosti a vysoko horľavé anorganické povlaky sú vybrané na účinnú ochranu odporových drôtov pred starnutím a predĺženie ich životnosti; Rezistory zo zliatin hliníka majú lepšiu odolnosť voči poveternostným vplyvom a vibráciám ako tradičné porcelánové rezistory a sú široko používané v náročných prostrediach s vysokými požiadavkami. Ľahko sa inštalujú a pevne sa pripevňujú, ľahko sa pripevňujú chladiče a majú krásny vzhľad.
Proces brzdenia so spotrebou energie je nasledovný: keď elektromotor spomaľuje alebo cúva vplyvom vonkajšej sily (vrátane ťahania), elektromotor beží v generátorovom stave a energia sa privádza späť do jednosmerného obvodu, čo spôsobuje zvýšenie napätia na zbernici; brzdová jednotka vzorkuje napätie na zbernici. Keď jednosmerné napätie dosiahne hodnotu vodivosti nastavenú brzdovou jednotkou, výkonová trubica brzdovej jednotky vedie prúd a cez brzdový odpor preteká prúd; brzdový odpor premieňa elektrickú energiu na tepelnú energiu, čím znižuje rýchlosť motora a napätie na jednosmernej zbernici; keď napätie na zbernici klesne na medznú hodnotu nastavenú brzdovou jednotkou, spínací výkonový tranzistor brzdovej jednotky sa vypne a cez brzdový odpor nepreteká žiadny prúd.
Vzdialenosť medzi brzdovou jednotkou a frekvenčným meničom, ako aj medzi brzdovou jednotkou a brzdovým odporom, by mala byť čo najkratšia (s dĺžkou vodiča menšou ako 2 m) a prierez vodiča by mal spĺňať požiadavky na vybíjací prúd brzdového odporu. Keď je brzdová jednotka v prevádzke, brzdový odpor generuje veľké množstvo tepla. Brzdový odpor by mal mať dobré podmienky na odvod tepla a na pripojenie brzdového odporu by sa mali použiť tepelne odolné vodiče. Vodiče by sa nemali dotýkať brzdového odporu. Brzdový odpor by mal byť pevne upevnený izolačnými podložkami a montážna poloha by mala zabezpečiť dobrý odvod tepla. Pri inštalácii brzdového odporu do skrinky by mal byť nainštalovaný na vrchu skrinky frekvenčného meniča.
2. Výber brzdovej jednotky
Vo všeobecnosti pri brzdení elektromotora dochádza k určitej strate vo vnútri motora, ktorá predstavuje približne 18 % až 22 % menovitého krútiaceho momentu. Preto, ak sa požadovaný brzdný moment vypočíta ako menší ako 18 % až 22 % menovitého krútiaceho momentu motora, nie je potrebné pripájať brzdové zariadenie.
Pri výbere brzdovej jednotky je jediným základom pre výber maximálny prevádzkový prúd brzdovej jednotky.
3. Optimalizácia výberu brzdového odporu
Počas prevádzky brzdovej jednotky závisí nárast a pokles napätia jednosmernej zbernice od konštanty RC, kde R je hodnota odporu brzdného rezistora a C je kapacita vnútorného kondenzátora frekvenčného meniča.
Hodnota odporu brzdového rezistora je príliš vysoká, čo spôsobuje pomalé brzdenie. Ak je príliš malá, komponenty brzdového spínača sa ľahko poškodia. Vo všeobecnosti sa predpokladá, že ak zotrvačnosť záťaže nie je príliš veľká, až 70 % energie spotrebovanej motorom počas brzdenia spotrebuje brzdový rezistor a 30 % energie sa spotrebuje rôznymi stratami v samotnom motore a záťaži.
Rozptýlený výkon brzdového odporu pri nízkofrekvenčnom brzdení je vo všeobecnosti 1/4 až 1/5 výkonu motora a pri častom brzdení je potrebné rozptýlený výkon zvýšiť. Niektoré meniče frekvencie s malou kapacitou sú vybavené vnútornými brzdovými odpormi, ale pri brzdení pri vysokých frekvenciách alebo gravitačnom zaťažení nemajú vnútorné brzdové odpory dostatočný odvod tepla a sú náchylné na poškodenie. V takom prípade by sa mali namiesto nich použiť vysokovýkonné externé brzdové odpory. Všetky typy brzdových odporov by mali používať odpory s nízkou indukčnosťou. Pripojovací vodič by mal byť krátky a mal by sa použiť krútený pár alebo paralelný vodič. Mali by sa prijať opatrenia na zníženie indukčnosti, aby sa zabránilo a znížilo pridávanie energie indukčnosti do trubice brzdového spínača, čo by mohlo spôsobiť jej poškodenie. Ak je indukčnosť obvodu veľká a odpor malý, spôsobí to poškodenie trubice brzdového spínača.
Brzdný odpor úzko súvisí s krútiacim momentom zotrvačníka elektromotora a krútiaci moment zotrvačníka elektromotora sa počas prevádzky mení. Preto je ťažké presne vypočítať brzdný odpor a približná hodnota sa zvyčajne získa pomocou empirických vzorcov.
RZ>=(2 × UD)/Vo vzorci: Ie menovitý prúd frekvenčného meniča; UD napätie jednosmernej zbernice frekvenčného meniča
Vzhľadom na krátkodobý pracovný režim brzdového odporu, na základe charakteristík a technických špecifikácií odporu, možno menovitý výkon brzdového odporu v systéme regulácie rýchlosti s premenlivou frekvenciou vo všeobecnosti vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca:
PB=K × Pav × η%, kde PB je menovitý výkon brzdového odporu; K je koeficient zníženia výkonu brzdového odporu; Pav je priemerná spotreba energie počas brzdenia; η je miera využitia brzdenia.
Aby sa znížila úroveň odporu brzdových odporov, rôzni výrobcovia frekvenčných meničov často dodávajú brzdové odpory s rovnakou hodnotou odporu pre niekoľko rôznych výkonov motorov. Preto je rozdiel v brzdnom momente dosiahnutom počas procesu brzdenia značný. Napríklad frekvenčný menič série Emerson TD3000 poskytuje špecifikáciu brzdového odporu 3 kW a 20 Ω pre frekvenčné meniče s výkonom motorov 22 kW, 30 kW a 37 kW. Keď brzdová jednotka vedie jednosmerné napätie 700 V, brzdný prúd je:
IB=700/20=35A
Výkon brzdového odporu je:
PB0=(700)2/20=24,5 kW
Brzdová jednotka a brzdový odpor používané v systéme regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou sú nevyhnutné konfigurácie pre bezpečnú a spoľahlivú prevádzku systému regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou s regeneratívnou energiou a presnými požiadavkami na parkovanie. Preto by sa pri výbere správneho systému regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou mal optimalizovať výber brzdovej jednotky a brzdového odporu. To nielen znižuje pravdepodobnosť porúch v systéme regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou, ale tiež umožňuje, aby navrhnutý systém regulácie otáčok s premenlivou frekvenciou mal vysoké ukazovatele dynamického výkonu.