Как подобрать тормозной резистор для частотного преобразователя

Расчет и выбор тормозных резисторов для преобразователей частоты

В статье рассматривается методике расчета и выбора тормозного сопротивления (тормозного резистора) для преобразователей частоты (ПЧ, частотника), на примере остановки асинхронного двигателя типа АИР.

Тормозные резисторы являются необходимыми элементами систем с тяжелыми режимами торможения (остановка большой нагрузки за малое время), если в их составе имеются преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока (например, серии GA700, GA500, A1000, L1000, J1000).

YASKAWA преобразователи частоты серий GA700 и GA500

Примерами таких систем могут служить:

• Лифты, эскалаторы.
• Различные краны и подъемные механизмы.
• Шпиндели станков.
• Конвейеры и системы подачи заготовок.

Примеры применений где требуются тормозные сопротивления

Пример расчета тормозного резистора

В качестве примера, рассмотрим работу преобразователя частоты серии GA700 (модель CIPR-GA70C4208) с двигателем АИР 280 М6 с циклом работы в 90 секунд и временем торможения 4 секунды (остановка производится с номинальной скорости вращения до 0). Двигатель подключен к механизму напрямую (без редуктора), а общий момент инерции составляет 38 кг*м 2 .

Циклограмма работы с участком торможения двигателя

Из циклограмм видно насколько сильно растет значение момента при переходе в отрицательную область во время торможения.

Если не предпринять меры по утилизации энергии, которая поступает на ПЧ во время торможения электродвигателя, то преобразователь отключится по ошибке перенапряжения на звене постоянного тока (код OV у YASKAWA). А в случае большой инерционной нагрузки на валу электродвигателя могут выйти из строя конденсаторы звена постоянного тока (ЗПТ).

Для утилизации возникающей энергии используют или тормозные сопротивления, преобразующие энергию в тепло, или рекуператоры для возврата ее в питающую сеть.

Для выбора тормозного резистора в первую очередь нам нужно определить электрическую мощность торможения:

1. Находим номинальную скорость двигателя в рад/с: w_ном= 2p * n_ном/ 60 = 2p * 968 / 60 = 101,3 [рад/c]
2. Рассчитываем максимальный момент для полной остановки по заданному циклу. Если механика имеет в своем составе несколько кинематических узлов (например, редукторы, барабаны и т.д.), то в суммарном моменте инерции эти узлы должны быть приведены к валу двигателя: M_макс= J_∑* (w_нач– w_кон) / t_торм= 38 * (101,3 – 0) / 4 = 962,35 [Н * м]
3. Определяем максимальную мощность при торможении: P_макс= M_макс* (w_нач– w_кон) = 962,35 ´ (101,3 – 0) = 97486 [Вт]
4. Определяем электрическую мощность торможения. Так, как отсутствует редуктор, то величину его КПД берем равной 100%: P_{эл.торм}= (P_макс– k * P_ном.дв) – ((1 – h_ред) * P_макс)= (97486 – 0,05 * 90000) – ((1 – 1) * 97486) = 92986 [Вт] Здесь k – вспомогательный коэффициент, зависящий от номинальной мощности двигателя:

Pном.дв, кВт	k
до 1,5	0,25
от 2,2 до 4,0	0,20
от 5,5 до 11	0,15
от 15 до 45	0,08
выше 45	0,05

Зависимость коэффициента f_k от ПВ

Согласно расчету, получается резистор 6Ом/18,5кВт. Один резистор этим условиям не удовлетворяет, но можно использовать по два резистора RH-9600W015-10 (9,6 кВт, 15 Ом, ПВ=10%).

Тормозные резисторы разной мощности RFH и БТ

Выбор тормозного модуля

Для сброса энергии со звена постоянного тока при его повышении используется специальный силовой транзистор, называемый тормозным. Он может быть, как встроенным, так и внешним. У преобразователей YASKAWA тормозные модули встроены в сам ПЧ до определенной мощности:

• A1000 и L1000: до 30 кВт (тяжелый режим нагрузки [HD])
• GA700: до 75 кВт [HD]

Пример внешнего тормозного модуля YASKAWA CDBR-4045D

Для проверки работоспособности тормозного транзистора в данном режиме, необходимо найти ток, который будет протекать через него во время торможения. В нашем случае это будет:

I_торм = U_зпт / R_{торм.ном} = 760 / (15 / 2) = 101,3 [А]

В данном случае преобразователь GA700 имеет номинальную мощность 90 кВт при тяжелом режиме нагрузки [HD] и требует установки внешних тормозных модулей. По каталогу рекомендуется установка двух модулей CDBR-4045D с максимальным суммарным током 120 А.

Таблица характеристик тормозных модулей YASKAWA CDBR

Выводы

Расчет режимов торможения и выбор тормозных резисторов для преобразователей частоты необходимый этап перед его покупкой, чтобы в последствии избежать простоя оборудования и выхода из строя ПЧ.

ООО «КоСПА» обеспечивает поставку ПЧ YASKAWA со всеми необходимыми опциями и в случае необходимости может помочь в их выборе и проверке ваших расчетов.

• О КОМПАНИИ
• Достижения компании
  и благодарственные
  письма

• РЕШЕНИЯ
• Станкостроение
• Упаковочная промышленность
• Общее машиностроение
• Пищевая промышленность

• ОБОРУДОВАНИЕ
• Приводная техника
• Системы управления
• Роботы
• Комплексные решения
• Редукторы
• Специальные датчики
• Краткие каталоги

Как подобрать тормозной резистор для преобразователя частоты

Приводы кранов, конвейеров и другого промышленного оборудования, работающего в повторно-кратковременных режимах с частыми включениями, отключениями и реверсами, оснащают тормозными устройствами, которые обеспечивают быструю остановку электродвигателя. Для этого используются электродинамический и механический метод.

Электродинамическое торможение достигается:

• Подачей постоянного напряжения на обмотки статора. При этом возникает неподвижное магнитное поле, создающее тормозной момент.
• Изменением порядка подключения фаз. Магнитное поле начинает вращаться в направлении, противоположном направлению вращения ротора электрической машины.

В обоих случаях на валу электродвигателя возникает отрицательный момент, обеспечивающий быструю остановку. Это необходимо для инерционных механизмов с высокой нагрузкой.

Электродинамическое торможение при помощи ПЧ

Большинство частотно-регулируемых приводов обеспечивают динамическое торможение асинхронного электродвигателя. При помощи ПЧ можно реализовать схемы торможения постоянным током и противовключением.

Электродинамическое торможение обладает следующими преимуществами:

• Высокая скорость торможения, что необходимо для точного позиционирования груза.
• Простота аппаратной реализации. Для этого требуются частотный преобразователь с тормозным прерывателем и резистор.
• Упрощение кинематической схемы оборудования.

При принудительной остановке электродвигателя, электроэнергия рассеивается в цепи, вызывая избыточный нагрев и срабатывание тепловой защиты. Для того чтобы избежать этого, применяют тормозные резисторы, обеспечивающие падение генерируемого напряжения и эффективное рассеивание тепла.

Электродинамическое торможение без дополнительных сопротивлений возможно для оборудования с нечастыми пусками, реверсами и остановками. Для грузоподъемных механизмов, рольтангов, лифтов необходим тормозной резистор.

Частотные преобразователи Данфосс с функцией динамического торможения комплектуются встроенным модулем Brake Choppe. Это устройство представляет собой электронный ключ на транзисторах IGBT, встроенный в звено постоянного тока. Возможна также опциональная комплектация этим блоком. Подключение тормозного резистора без прерывателя недопустимо.

Выбор тормозного резистора

Характеристики резисторов должны отвечать параметрам электропривода, типу частотного преобразователя, режимам пуска и эксплуатации двигателя. Компания Данфосс выпускает широкий модельный ряд добавочных сопротивлений для приводов разной мощности и марок. Тормозные резисторы выбирают:

• По циклу торможения (от 10% номинального момента, применяемых для вентиляторов, до 50% для механизмов с высоким моментом инерции).
• Числу фаз (одно- трехфазные).
• Номинальному напряжению.
• Классу защиты от пыли от влаги IP.
• Максимальной и номинальной мощности.
• Сопротивлению.
• Режиму работы электродвигателя.

Расчет характеристик делается по специальной методике на стадии проектирования привода или при его модернизации.

Расчет тормозного резистора

Исходными данными для вычисления параметров тормозных резисторов служат номинальное напряжение, мощность и частота вращения электродвигателя, момент инерции на валу, время остановки и т.д.

Расчет делается в несколько этапов:

Определение максимального момента торможения. Эта величина определяется по формуле:

Где n1, n2 начальная и конечная скорость замедления, J – сумма все моментов инерции на валу, t – проектное время замедления.

Расчет механической мощности торможения по формуле:

где n1, n2 начальная и конечная скорость замедления, t – проектное время замедления, М- максимальный момент торможения.

Вычисление электрической мощности торможения по формуле:

Расчет максимального тормозного сопротивления по формуле:

где U – напряжение звена постоянного тока, Р – электрическая мощность торможения.

Определение номинальной мощности резистора. Значение мощности добавочного сопротивления рассчитывается по формуле:

Выбор тормозного резистора из таблицы, представленной на сайте производителя.

При расчете также учитывается коэффициент уменьшения нагрузки, который зависит от мощности привода, к.п.д. редуктора. Если передаточный механизм не включен в состав электропривода, значение к.п.д. редуктора принимается равным единице.

При необходимости управления торможением без добавочного сопротивления, при программировании ПЧ указываем отсутствие тормозного резистора или выбираем торможение противовключением на низкой частоте.

Компания Данфосс выпускает резисторы с рабочим циклом от 10% до 40%, класса пылевлагозащищенности IP20, IP65. Мощные устройства комплектуют термодатчиками и устройствами защиты от перегрева.

РБ тормозные резисторы

В случае ПВ 10% можно использовать керамические IP00 РБ1 или алюминиевые IP54 РБ3.

Таблица соответствия модификаций применения РБ на ПЧВ1

Количество резисторов вмодуле, шт.

Таблица соответствия модификаций применения РБ1 на ПЧВ3

Количество резисторов в модуле, шт.

Документация

Комплектность

Чертежи, схемы, модели

Цены

Задать вопрос специалисту

25 сентября 2023
18 июля 2022
9 июля 2018
О компании
Учебный центр

ОВЕН – российский разработчик и производитель средств промышленной автоматизации. На сайте owen.ru представлен полный каталог продукции компании: контрольно-измерительные приборы, программируемые контроллеры, датчики.

Предложения и замечания по работе сайта пишите: internet@owen.ru

© 1991-2024 ОВЕН. Все права защищены.

Тел.: +7 (495) 727-30-16

1-я ул. Энтузиастов, д. 15, стр. 1

Общество с ограниченной ответственностью «Производственное Объединение ОВЕН»

ул. 2-я Энтузиастов, д.5, к.5

Использование тормозных резисторов с частотниками

При работе преобразователя частоты для остановки электродвигателя используются два режима: режим выбега (двигатель останавливается по инерции) и режим торможения с управляемым временем замедления.

Режим остановки на выбеге

Остановка на свободном выбеге означает, что при подаче команды STOP выходы преобразователя отключаются от двигателя, и его ротор вращается по инерции. Время торможения при этом будет неопределенным, зависящим только от инерционных свойств нагрузки. Этот режим выбирается, когда нагрузка имеет большой момент инерции, а время торможения не критично.

Режимы остановки с замедлением

При остановке электродвигателя в режиме торможения время замедления задается пользователем в настройках частотного преобразователя, и может быть как больше, так и меньше времени остановки на выбеге.

В режиме с относительно большим временем замедления выходная частота преобразователя плавно уменьшается до заданной минимальной, затем напряжение с двигателя снимается. Фактически происходит не торможение, а плавное понижение оборотов двигателя.

При уменьшении времени замедления двигатель может переходить в генераторный режим с накоплением излишней энергии в звене постоянного тока ПЧ. Это происходит не только при замедлении, но и при отрицательном крутящем моменте, когда двигатель поддерживает заданную скорость, а нагрузка пытается ее увеличить.

Напряжение в звене постоянного тока может превышать допустимые значения в определенных пределах. В подобных случаях нужно либо увеличить время торможения, либо использовать тормозной резистор.

На тормозном резисторе выделяется мощность, которую нагрузка передает через двигатель в преобразователь частоты при быстром снижении скорости или остановке. Резистор используется вместе со специальной схемой управления – тормозным модулем. Модели ПЧ низкой мощности оснащаются встроенным модулем. В этом случае в преобразователе есть клеммы «+» и «PB», к которым непосредственно подключается тормозной резистор, как показано на схеме ниже.

При мощностях более 18,5 кВт и в дешевых моделях тормозной модуль, как правило, является выносным устройством и покупается отдельно. Подключение производится к клеммам преобразователя «+» и «-». Модуль содержит пороговое устройство и мощный ключевой транзистор. Когда напряжение превышает допустимое, транзистор открывается, и напряжение прикладывается к тормозному резистору.

Модель тормозного модуля и номинал резистора выбираются в соответствии с рекомендациями производителя, исходя из мощности ПЧ и условий его работы. Также при проектировании и эксплуатации оборудования нужно учитывать, что резистор может значительно нагреваться в процессе работы.

Частотник без тормозного резистора

В некоторых моделях частотных преобразователей предусмотрена функция ограничения перенапряжения на шине постоянного тока. Тормозной резистор в таком случае не используется, при этом автоматически поддерживается максимальный тормозной момент, а время замедления может быть минимальным для данной нагрузки.

Без тормозного резистора можно обойтись еще в одном случае. Если в оборудовании используется несколько преобразователей частоты с одинаковым напряжением шины постоянного тока, их шины можно объединять. В результате ПЧ могут взаимно поглощать излишнее напряжение при торможении.

В завершение упомянем о других режимах торможения:

• режим торможения постоянным током, который можно использовать для экстренной остановки двигателя.
• режим удержания двигателя в остановленном состоянии с помощью постоянного тока. Вследствие возможного перегрева двигателя этот режим рекомендуется использовать непродолжительное время.