Частотные преобразователи широко применяются для управления асинхронными двигателями в различных отраслях промышленности. При динамическом торможении двигателя, особенно при снижении скорости или остановке под нагрузкой, возникает необходимость эффективно рассеивать избыточную энергию, которая вырабатывается двигателем. Для этого применяются специальные устройства — тормозные резисторы. В данной статье мы подробно рассмотрим, что такое тормозные резисторы, как они подключаются к частотным преобразователям, а также приведём схемы и методики расчёта сопротивления и мощности резисторов. Тормозные резисторы серии BR имеют различные диапазоны мощностей и сопротивления для различных моделей частотных преобразователей.
Когда двигатель, управляемый частотным преобразователем, замедляется, он работает в режиме генератора и возвращает энергию обратно в преобразователь. Эта энергия может привести к повышению напряжения на шине постоянного тока преобразователя, что опасно для его компонентов и может привести к аварии. Для безопасного рассеивания этой избыточной энергии используется тормозной резистор — мощный электрический резистор, который подключается к цепи постоянного тока преобразователя. Он преобразует избыточную электрическую энергию в тепло, тем самым снижая напряжение на шине и обеспечивая безопасное торможение двигателя. В частотных преобразователях до 15-22кВт чаще всего имеется встроенный тормозной модуль, который контролирует напряжение на шине постоянного тока. Когда напряжение превышает заданный уровень, модуль подключает тормозной резистор к шине, и ток начинает протекать через резистор, рассеивая энергию в виде тепла. Таким образом, поддерживается безопасный уровень напряжения и обеспечивается эффективное торможение. Если в частотном преобразователе отсутствует встроенный тормозной модуль (не путать с тормозным резистором), то необходимо устанавливать промежуточный тормозной модуль и далее к нему подключать уже тормозной резистор.
Рассмотрим схемы подключения тормозных резисторов к частотному преобразователю серии DA. Данная серия частотных преобразователей имеет встроенные тормозные модули в моделях от 0.75кВт до 15кВт (380В) и от 0.75кВт до 4кВт (220В). Соответственно, в моделях до 15кВт включительно мы будем подключать тормозные резисторы напрямую к частотному преобразователю, а в моделях от 18.5кВт и выше нам потребуется промежуточный тормозной модуль, который будет управлять тормозным резистором.
Необходимо отметить, что при подключении тормозного резистора напрямую к частотному преобразователю полярность не имеет значения в большинстве случаев, так как тормозной резистор это по сути металлическая намотка. А в случае использования промежуточного тормозного модуля соблюдать полярность ОБЯЗАТЕЛЬНО, иначе частотный преобразователь выйдет из строя! Тормозные резисторы — важный элемент системы управления частотными преобразователями, обеспечивающий безопасное и эффективное торможение электродвигателей. Правильный выбор и подключение резистора позволяют продлить срок службы оборудования и повысить надёжность работы всей системы. При проектировании системы обязательно учитывайте параметры преобразователя и нагрузки, а также проводите точные расчёты сопротивления и мощности тормозного резистора.
Рассмотрим таблицу сопоставления тормозных резисторов к частотным преобразователям серии DA. У других производителей частотных преобразователей параметры тормозных резисторов могут значительно отличаться.
Показатели сопротивления и мощности в тормозном резисторе напрямую влияют на его работу и эффективность в связке с частотным преобразователем. В данной таблице приведены расчеты сопротивления для общепромышленной нагрузки: вентиляторы, насосы, дымососы, станки (токарные, фрезерные, карусельных, и т.п). Если частотный преобразователь используется для тяжелых нагрузок (кран балки, краны, конвейеры), то соответственно выбирается частотный преобразователь на несколько номиналов выше и тормозные резисторы подбираются по другим ключевым параметрам. Для общепромышленной нагрузки параметр ED (значение периода включения тормозного резистора) должен составлять не более 10%. Для тяжелой нагрузки данный параметр допускается от 30 до 40%.
Сопротивление в тормозном резисторе определяет, сколько тока будет протекать через резистор при заданном напряжении. Чем выше сопротивление, тем меньше ток и, соответственно меньше рассеиваемая мощность при фиксированном напряжении. Если сопротивление слишком низкое, то через резистор будет протекать большой ток, что может привести к перегреву и выходу из строя резистора. Если сопротивление резистора слишком высокое, то он не сможет эффективно рассеивать избыточную энергию и напряжение на шине постоянного тока ЧП может подняться выше допустимого уровня, что может привести к выходу из строя ЧП. Мощность тормозного резистора определяет какое количество тепла он сможет безопасно рассеивать без повреждения. Соответственно, тормозной резистор должен иметь мощность, достаточную для рассеивания максимальной энергии, возникающей при торможении двигателя. Недостаточная мощность приводит к перегреву, снижению срока службы и возможному выходу из строя резистора. Избыточная мощность резистора — это запас надежности, но при этом увеличивает его размеры и стоимость.
Для частотных преобразователей используются различные виды тормозных резисторов, которые отличаются конструкцией, материалами и областью применения. Основные виды тормозных резисторов:
- Проволочные (намоточные) резисторы. К таким относятся резисторы серии BR описанные выше. Представляют собой резистивную проволоку (нихром или аналогичный сплав), намотанную на изолирующий каркас (керамический или металлический). Хорошо рассеивают тепло за счет большой поверхности. Часто применяются в промышленных условиях, при высоких нагрузках. Имеют достаточно большие габариты и требуют достаточно большого пространства для проветривания и охлаждения.
- Плёночные резисторы. Резистивный слой наносится на керамическую или металлическую поверхность в виде тонкой пленки. Достаточно компактные и обычно рассчитаны на небольшую мощность ЧП.
- Металлокерамические резисторы. Являются комбинацией керамической основы и металлического резистивного слоя. Значительно дороже стандартных резисторов, но при этом обладают высокой термостойкостью и долговечностью.
- Резисторы с жидким охлаждением. Используются в особо мощных установках, где традиционные методы охлаждения не справляются. Сложны в конструкции и обслуживании, но обеспечивают высокую эффективность.
Так как у разных производителей частотных преобразователей расчет подключаемых тормозных резисторов может значительно отличаться, то в этом случае необходимо знать о последовательном и параллельном способе подключения тормозных резисторов. При последовательном подключении нескольких тормозных резисторов складывается сопротивление и мощность резисторов. При параллельном подключении нескольких резисторов мощность также складывается, но сопротивление уменьшается. При этом тормозные резисторы могут использоваться с разными номиналами мощности и сопротивления. На картинке наглядно показан расчет мощности и сопротивления при разных подключениях. Таким образом возможно подобрать нужно сопротивление, а мощность является второстепенным параметром. Если суммарная мощность тормозных резисторов будет больше рекомендуемой, то у вас будет дополнительный запас в рассеивании тепловой энергии.
Расчёт параметров тормозного резистора достаточно сложный процесс и далеко не все квалифицированные инженера могут с этим справиться. Надежнее и проще обратиться к производителю частотных преобразователей, сообщить тип нагрузки и получить конкретные значения сопротивления и мощности тормозного резистора. Если хотите рассчитать сопротивление и мощность резистора самостоятельно, то следуйте инструкции ниже.
Для расчета параметров тормозного модуля необходимо знать номинальную мощность двигателя, общий момент инерции (чаще всего можно спросить у производителя двигателя), скорость вращения двигателя (об/мин), один цикл работы ЧП и время торможения в этом цикле. Для примера, возьмём номинальную мощность ЧП 55кВт, скорость вращения двигателя 980 об/мин, момент инерции 30кг*м2, цикл 100 секунд и время торможения 3 секунды.
Определяем номинальную скорость двигателя:
Wном = 2пи * nном / 60 = 2*3,14* 980 / 60 = 102,5рад/c
Определяем максимальный момент по заданному циклу:
Mмакс = J∑* (Wнач – Wкон) / tторм = 30 * (102,5 – 0) / 3 = 1025 Н*м
Получаем максимальную мощность при торможении:
Pмакс = Mмакс * (Wнач – Wкон) = 1025* (102,5 – 0) = 105062 Вт
Определяем электрическую мощность торможения. Для простоты расчета берем двигатель без редуктора и КПД = 100%:
Pэл.торм = (Pмакс – k * Pном.дв) – ((1 – hред) * Pмакс )= (105062 – 0,05 * 55000) – ((1 – 1) * 105062) = 102312 Вт
k – вспомогательный коэффициент, зависящий от номинальной мощности двигателя.
Произведем расчет допустимого сопротивления резистора:
Rмакс = U2зпт / Pэл.торм = 7602 / 102312 = 5,6Ом
– для 220 В: Uзпт = 388 В
– для 380 В: Uзпт = 760 В
Определим продолжительность включения (ПВ) в режиме торможения:
ПВ (ED) = (tторм / Tцикла) * 100% = (3 / 100) * 100% = 3%
Определяем номинальную мощность тормозного резистора:
Pторм.ном = Pэл.торм / fk = 102312 / 10 = 10231,2Вт
где fk – коэффициент, зависящий от значения ПВ (зависимость показана на рисунке выше)
Из нашего расчёта получилось: сопротивление тормозного резистора 5,6Ом, а мощность около 11кВт (желательно брать с запасом). Как видно из расчёта выше, рассчитать параметры тормозного резистора не так сложно, если имеются все входные данные. В случае применения редуктора на двигателе необходимо параметр КПД двигателя уменьшить, а также суммарный момент инерции определить верно. В данной статье мы постарались объяснить простым языком необходимость применения тормозных резисторов совместно с частотными преобразователями, а также показали каким образом подобрать необходимый номинал тормозного сопротивления через последовательное или параллельное подключение.
В заключении хотим обратить внимание на наши собственные проволочные тормозные резисторы серии BR, которые применяют с частотными преобразователями для разных промышленных нагрузок. Если у вас имеются вопросы, свяжитесь с нами любым удобным для вас способом!