Frânare dinamică

PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE

Când un motor este conectat la o sursă alternativă de tensiune de 50 Hz și se rotește cu o viteză mai mare decât viteza sa sincrona, va livra energie către sursă. Un exemplu ar fi o bandă care transportă încărcătura la vale. Acest principiu permite motorului să lucreze în regim de generator. Energia generată este direct proporțională cu alunecarea (diferența relativă între turația câmpului statoric și turația rotorului), la fel cum cuplul motorului este direct proporțional cu alunecarea. În esență, dacă rotorul se învârte mai repede decât câmpul magnetic învârtitor, motorul devine generator. Dacă motorul se învârte mai încet decât câmpul magnetic învârtitor, motorul se comportă ca un motor.

Folosind acest principiu, un motor conectat la un convertizor poate fi folosit pentru a încetini rapid sau a opri o sarcină. Dacă, de exemplu, frecvența pe ieșirea convertizorului este 45 Hz (motorul de 1500 rpm se învârte la 1350 rpm), motorul poate fi încetinit prin reducerea lentă a frecvenței de ieșire. În momentul reducerii frecvenței, rotorul se învârte mai repede decât câmpul magnetic învârtitor și de aceea devine generator.

Când un motor frânează (decelerează), energia motorului este livrată convertizorului, nivelul tensiunii etajului c.c. va crește până la nivelul de declanșare, convertizorul nu va mai funcționa, iar sarcina se va opri liber. În aplicații cu inerție mare, aceasta ar putea însemna un timp foarte lung până la oprirea sarcinii.

Dacă un al șaptelea IGBT se adaugă la etajul c.c. și se conectează un rezistor extern pentru frânare dinamică la acel tranzistor, energia de frânare a motorului poate fi disipată foarte eficient.

Rezistoarele de frânare (rezistente, după denumirea mai răspândită, deși aceasta se referă la mărimea fizică), pot fi achiziționate pentru diferite regimuri de funcționare. Conform definiției date de Toshiba, un rezistor pentru regim de funcționare de 100% are capacitatea de a disipa 100% din cuplul de frânare pentru 50% din timpul în care este conectat la convertizor, dacă motorul funcționează la viteză nominală (de obicei 50 Hz). “Cuplul procentual”, prin urmare “puterea”, adică “puterea disipată” este o funcție a raportului de decelerare (cuplu de decelerare sau cuplu negativ de accelerare).

Un exemplu în acest sens ar fi o sarcină de antrenare continuă a motorului, cum ar fi o bandă care transportă încărcătura la vale, dacă sarcina a generat 100% din cuplul nominal la 25 Hz, un rezistor cu regim de funcționare de 100% va fi suficient de mare. Logica este că un motor de 1 kW furnizând cuplul nominal la 50% din viteză dezvoltă 50% din putere deoarece puterea este direct proporțională cu viteza de rotație (P=M x Ω). Dacă viteza va fi la jumătate și puterea va fi la jumătate.

Același rezistor cu regim 100% are capacitatea de a disipa 200% din cuplul de frânare, când frecvența acestuia este scăzută liniar în rampă de la 50 Hz la 0 Hz, pentru 50% din timpul cât este conectat la convertizor. Viteza medie a ciclului de frânare este 25 Hz. Aceasta înseamnă că puterea medie în timpul frânării va fi 100%. Din nou, P=M x Ω, dacă cuplul M=200% și turația medie Ω = 50%, puterea medie va fi P=100%.

Trebuie să ținem cont că un raport liniar de decelerare nu va furniza un curent constant dinspre motor spre convertizor, nici convertizorul nu va regla curentul la o valoare constantă cum ar fi 100% sau 150% etc.

Dacă frânarea se face de la 60 Hz la 0 Hz sau de la 70 Hz la 10 Hz, calculele devin mult mai complexe și vor trebui luate în considerare inerția, încărcarea, rata de decelerare, etc. În general, convertizorul va încerca decelerarea conform timpului setat, rezultând un curent de decelerare corespunzător. Aceasta ar face calculele foarte dificile din moment ce încălzirea variază cu pătratul curentului (I² x R).

Toshiba a creat un sistem automat de calculare a timpului de accelerare/decelerare care calculează timpul de declanșare bazat pe mărimea rezistorului, nivelul vitezei de decelerare, inerția și ciclul de funcționare pentru a estima mai bine timpii de accelerare și decelerare. Calculatorul consideră că curentul va fi constant la 150% din valoarea obținută din calcularea timpului de decelerare. Dacă timpul de decelerare are o valoare crescută, curentul nu va mai fi 150% iar încălzirea va fi redusă. Mai departe, dacă timpul de decelerare este foarte mare datorită inerției ridicate sau a supraîncărcării utilajului, algoritmul de protecție a convertizorului ar putea produce o declanșare pentru a proteja rezistorul. Cu alte cuvinte, un rezistor pentru un ciclu de 50% nu poate frâna la 50 Hz, pentru o oră, un motor care acționează o bandă care transportă încărcătura la vale. Este clar un timp de declanșare asociat cu frânare 100% la 50 Hz pentru un rezistor cu serviciu de 100%.

CONSIDERAȚII REFERITOARE LA NIVELUL TENSIUNII

Din punct de vedere al proiectării, este important să se cunoască la care nivel convertizorul activează frânarea dinamică și care va fi nivelul la care va declanșa. Dacă nivelul de declanșare al tensiunii continue este setat prea jos, vor apărea declanșări la supratensiune nedorite. Pentru a putea oferi un convertizor de 400 V sigur în funcționare, nivelul de declanșare la supratensiune în c.c. trebuie să fie peste 620 V din următoarele motive.

Tensiunea etajului c.c. este aproximativ egală cu radical din dublul pătratului tensiunii alternative de alimentare. Dacă tensiunea de alimentare este 400 V, tensiunea etajului c.c. devine 566 V. Dacă tensiunea de alimentare crește cu 10% peste cea nominală, adică 440 V, tensiunea continuă devine 622 V.

Dacă apar fenomene tranzitorii pe linia de alimentare, tensiunea de alimentare crește corespunzător.

Când convertizorul scade frecvența sarcinii, motorul se comportă ca un generator și transferă energie înapoi convertizorului, crescând apoi nivelul tensiunii continue.

Pentru a oferi o frânare fără probleme și de înaltă performanță, trebuie să existe un spațiu între tensiunea de deschidere a tranzistorului de frânare și nivelul tensiunii de declanșare a etajului c.c.. Dacă tensiunea de deschidere a tranzistorului este setată sub 622 V, convertizorul va încerca să regleze tensiunea sistemului de fiecare dată când tensiunea va depăși 400 V + 10% = 440 V. Aceasta va genera declanșări deranjante sau defectarea ori a tranzistorului de frânare, ori a rezistorului de frânare.

FRÂNARE DINAMICĂ TOSHIBA

Toshiba VFS15, VFMB1 și VFAS3 (opțional pentru anumite modele) au circuitul de frânare inclus. Tranzistorul IGBT7 (pentru frânare dinamică) al convertizoarelor Toshiba este controlat direct de microprocesor.

De obicei, circuitul de frânare este oferit ca modul opțional care este, în principiu, un regulator de tensiune continuă. Asta înseamnă că, atunci când tensiunea continuă depășește un nivel prestabilit, tranzistorul se deschide și disipează energia pe rezistorul de frânare conectat la exterior. Circuitele de frânare dinamică convenționale au nevoie de un releu de suprasarcină pentru protejarea rezistorului de frânare, dar și de un contactor de intrare pentru a tăia alimentarea convertizorului în eventualitatea în care un nivel crescut al tensiunii de alimentare produce funcționarea continuă a circuitului de frânare. Nivelul ridicat al tensiunii de alimentare poate să apară, de exemplu, în timpul opririi unei mori, când moara este, în esență, neîncărcată, și transformatorul principal de alimentare nu are un comutator de plăcuțe automat, sau acesta este nefuncțional.

Convertizoarele Toshiba (când motorul este oprit) nu vor deschide tranzistorul IGBT7, chiar dacă nivelul tensiunii de alimentare va crește suficient de mult pentru a determina creșterea tensiunii continue peste tensiunea de deschidere a tranzistorului IGBT7.

În plus, microprocesorul protejează direct rezistorul de frânare extern. Aceasta elimină nevoia instalării unui contactor pe intrarea convertizoarelor cu circuit de frânare, fapt care crește stabilitatea sistemului pentru că dispar problemele legate de deconectarea convertizorului de către contactor în timpul golurilor de putere.

Formula de bază pentru estimarea timpilor de accelerare și decelerare în sistemele motor/convertizor include următoarele:

Timpul de accelerare

ta = ((JM+JL) x ΔN)/(9.56 x (TM–TL)) (sec.)

Timpul de decelerare

td = ((JM+JL) x ΔN)/(9.56 x (TB+TL)) (sec.)

Unde:

JM : Momentul inerției motorului (kg x mp)

JL : Momentul inerției sarcinii (kg x mp) (valoare calculată la axul motorului)

ΔN : Diferența dintre viteza de rotație dinainte și cea de după accelerare sau decelerare (1/min.)

TL : Cuplul sarcinii (N x m)

TM (1) : Cuplul nominal al motorului x 1,1 (N x m), control V/f

TM (2) : Cuplul nominal al motorului x 1,2 (N x m), control vectorial

TB (1) : Cuplul nominal al motorului x 0,2 (N x m)

TB (2) : Cuplul nominal al motorului x (0,8 pana la 1) (N x m), când este folosită o rezistență de frânare.

SELECTAREA REZISTORULUI DE FRANARE

Se utilizează pentru decelerare rapidă, opriri frecvente prin decelerare sau pentru scurtarea timpului de decelerare la sarcini cu inerție ridicată. Rezistorul consumă energia regenerativă în timpul operației de frânare dinamică. Acesta trebuie să fie compatibil cu circuitul de frânare al convertizorului la care se va conecta (să aibă rezistența mai mare decât valoarea minimă a modelului respectiv).

În general, rezistoarele se utilizează în următoarele situații:

• Sarcini care creează un regim regenerator continuu, cum ar fi lifturile și macaralele, derularea tensionată a rulourilor sau bobinelor, banda ce transportă încărcătura la vale, etc.
• Regim regenerator indus de fluctuații ale sarcinii în timpul funcționării constante a unei prese.
• Oprire în rampă (prin decelerare) la mașinile cu inerție ridicată.
• Opriri frecvente prin decelerare (în rampă).
• Când este necesară oprire bruscă.
• Când apare semnalul de supratensiune „OP” la decelerare.

Valoarea rezistenței trebuie să fie mai mare decât valoarea rezistenței minime permise (valoarea rezultantă a rezistenței). Aceste valori sunt date în manualele convertizoarelor. Pentru VFAS3, valorile minime ale rezistențelor de frânare sunt date în tabelul de mai jos (cap. 6.15.4 din manual).

Pe lângă valoarea rezistenței, trebuie să alegem și puterea rezistorului, care arată câtă energie poate disipa. În general, avem două tipuri de rezistoare: unul pentru frânare ușoară și celălalt pentru frânare grea.

Deci, puterea se alege în funcție de regimul de utilizare (câtă energie disipe și pentru cât timp) și puterea convertizorului, iar rezistența depinde de valoarea admisibilă a circuitului de frânare aferent convertizorului.

MODUL DE CONECTARE LA CONVERTIZOR (VFAS3)

De aici puteți comanda rezistențe de frânare, circuite de frânare, accesorii: https://www.braistore.ro/convertizoare-de-frecventa

Sursa: Toshiba