Расчет тормозного сопротивления преобразователей частоты

Частотный привод при работе в 4 квадрантах должен осуществлять как передачу энергии в двигатель, так и отток энергии от двигателя. Хотя конечно и существует торможение постоянным током, которое работает в весьма малоэффективном диапазоне частот и служит порой для предварительного намагничения двигателя и удержания вала на низких частотах, где слабо работает основное для преобразователя частоты динамическое торможение. Так как основа динамического торможения - перевод двигателя в генераторный режим, то возникает вопрос по поводу оттока энергии с двигателя, т.к. выпрямитель не позволяет его вернуть в сеть средствами преобразователя частоты. Напряжение на звене постоянного тока при этом растет и возникает ошибка "перенапряжение", присущая торможению больших инерционных масс и резкому торможению (рулоны листов, роторы дробилок, большие барабаны и шестерни).

Динамическое торможение частотного преобразователя

Динамическое торможение – это процесс, в ходе которого происходит рекуперация энергии нагрузки и ее рассеивание в виде тепла на блоке тормозных резисторов.

Тормозной модуль (ключ, "чоппер") – электрическое переключающее устройство коммутирующее напряжение постоянного тока на резистор, на котором энергия рекуперации рассеивается в виде тепла. Тормозные модули включаются автоматически, когда напряжение на шине постоянного тока превышает установленный (настраиваемый) уровень, зависящий от номинального напряжения питания инвертора.
Для ограничения напряжения на DC шине энергия при рекуперации передается резисторам через тормозные прерыватели (тормозные модули).

Тормозные резисторы

Резисторы можно подобрать из раздела каталога.

Резисторы требуются когда:
нужно эффективное торможение с длительностью торможения более 10% от циклограммы работы;

• во избежание ошибки перенапряжения, когда мотор подключен к несбалансированной, либо высокоинерционной нагрузке;
• когда нагрузка «тянет» мотор ( например, подъемник, лифт или грузоподъемный механизм типа подъемного крана);
• в приложениях вертикального или горизонтального перемещения, когда точность позиционирования очень важна, хотя здесь стоит оговориться о том, что это вызвано снижающейся эффективностью торможения при росте напряжения на звене постоянного тока, так как приходится преодолевать все большее ЭДС. Существенного эффекта применение резисторов в данном случае не несет.

В зависимости от инвертора, резисторы могут подключаться напрямую (встроенный тормозной ключ обычно в моделях до 30 кВт), либо через тормозной модуль. В любом случае, если торможение производится с циклом более 10% стоит оценить тормозной ключ или модуль на предмет работы на тормозные токи в длительном режиме. Сопротивление и мощность рассеивания тормозных резисторов обычно указана в инструкции на преобразователь частоты, следует соблюдать несколько очень важных условий по подбору тормозных резисторов: их мощность и сопротивление указаны для ПВ торможения 10%, если выбираете для иных ПВ, то требуется корректировка. Следует выбирать сопротивление не менее минимального рекомендованного, так как тормозной ток не должен превышать ток тормозного модуля или ключа как в кратковременном так и в длительном режиме. Номинал не должен быть завышен, так как рост сопротивления уменьшает отток мощности и следовательно падает эффективность торможения. Мощность рассеивания определяется исходя из ПВ торможения и задачи, так для простых задач хватает рекомендованных, но для лебедок грузоподъемных механизмов стоит оценить спуск груза, ПВ в таком случае будет минимум 60%. При оценке ПВ в цикле стоит отметить, что для резисторов длительность включения определяется исходя из максимального времени работы в цикле не более 120 сек, при котором уже считается, что резистор работает при ПВ100%, то есть если время цикла более 120 сек, берется часть цикла длительностью 120 сек с максимальным временем использования торможения.

Расчет тормозного резистора и тормозного модуля

Методика расчета тормозного сопротивления данный документ описывает расчет исходя из максимального момента и мощности торможения. Для расчета приняты следующие константы: Uторм=760В - напряжение на звене постоянного тока на момент включения тормозного ключа, хотя для ПЧ эта цифра может меняться для встроенного ключа, а для ключа внешнего тормозного модуля обычно это напряжение либо выбирается перемычками в чистом виде, либо через выбор питающего напряжения.

Основа расчета - поиск электрической мощности, выделяемой при торможении и которую собираемся утилизировать, то есть нам нужен баланс мощность выделяемая на резисторах >= мощности рекуперации. График мощности представляет собой треугольник, максимальная мощность (при постоянстве тормозного момента) соответствует частоте начальной торможения. При этом тормозной момент равен (по второму закону Ньютона в форме моментов)

Мторм=Jtot*E,

где Jtot момент инерции общий включая двигатель и механизм, приведенный к валу двигателя через передачу, E это угловое ускорение, которое можно выразить через формулу

E=(n1-n2)/(9.55*tторм)

Здесь как раз для поиска ускорения пользуемся формулой конечных точек, то есть делим разницу скоростей на время торможения, 9.55 это коэффициент для перевода из об/мин в рад/с. Кстати данная формула поиска момента не учитывает момент нагрузки, который в случае с активной силой (сила тяжести на кране) нужно добавить к тормозному моменту.

Зная момент можем найти пиковую тормозную мощность как

Pторм=Мторм*n/9.55

Тут кстати в методике, предлагаемой многими производителями кроется опасность, некоторые считают через разницу скоростей (n1-n2), по факту же это может привести к ошибке при расчете торможения не до нуля, тк торможение "не до конца" ничем не отличается в плане максимальной мощности, отличаться может работа, но не мощность, она четко равна произведению момента на скорость в рад/с и максимальная в обоих случаях определяется начальной скоростью торможения, и не в коем случае конечной. Теоретически малое торможение ПЧ может пережить за счет накопления энергии на звене постоянного тока, но это не значит, что пиковая мощность при малых торможениях меньше. На практике кстати видно, что если ПЧ не справляется с торможением, выход в ошибку происходит на частоте близкой к начальной, и никогда в конце торможения на частотах близких к нулю, это определяется графиком - мощность торможения падает.

На практике такой расчет сложен, тк часто мы не знаем момент инерции и проще воспользоваться правилом момент тормозной равен моменту двигателя (если торможение требует перегрузки двигателя, то можно ее тоже учесть в формуле), тогда мы просто берем мощность двигателя, умножаем на КПД двигателя, умножаем на КПД передач и механизмов, тк они тоже будут тормозить нагрузку и считаем полученное значение пиковой мощностью.

Далее делаем расчет необходимого тормозного тока, который определяется делением напряжения торможения в квадрате (читать выше, настройка ПЧ или модуля) на мощность торможения пиковую

Rторм=(Uторм^2)/Pторм

Хотя чаще всего этот расчет тоже не нужен, тк если ключ встроен в ПЧ, то резистор и ток предлагается производителем, нужно только для своего варианта уточнить, для какого ПВ приведены данные, чаще всего ключ встроенный в ПЧ выдержит и ПВ 100%.

В случае с внешним тормозным модулем берем мощность торможения пиковую и делим на напряжение торможения, получаем необходимый тормозной ток

Iторм=Pторм/Uторм

Далее в зависимости от ПВ применяем либо ток кратковременный тормозного модуля (обычно больше номинального длительного), либо ток номинальный для длительного торможения. Кстати читаем внимательно рекомендацию по тормозному резистору для модуля, ток модуля есть смысл выбирать с запасом 1,25-1,5 крат, тк несмотря на написанный ток модуля, резистор рекомендуется на меньший тормозной ток. Это скорее всего связано с тем, что напряжение на звене постоянного тока может расти и дальше напряжения торможения, и ток будет тоже расти и превысит первоначально выбранный ток, под который мы посчитали резистор по начальному напряжению (например 700В). Плюс резистор по номиналу может немного плавать, да и подбор "один-в-один" врятли получится, потому как ряд резисторов специфичен.

Имея тормозной ток подбираем тормозной модуль, а имея ток и напряжение ищем резистор по закону Ома.

Последним выбирается мощность рассеиваемая, она обычно определяется через ПВ, но в случае с ГПМ, где длительность опускания груза может быть и минуту и больше, ПВ принимается в диапазоне от 60 до 100%. В общем-то тут рекомендации как таковые отсутствуют, нужно считать тепловой баланс резисторов, смогут ли они за время паузу рассеять мощность.

В конце рекомендуется произвести проверку по подобранному резистору на предмет обеспечения тормозной мощности (тока), а так же по выделяемой мощности (обратный расчет).