Решение торможения для системы ЧРП

Обзор решения Решения Связанные статьи

Какова функция решения для торможения с помощью частотно-регулируемого привода (ЧРП)?

Решение для торможения с использованием ПЧ применяется для обработки рекуперативной энергии, возникающей при замедлении или остановке двигателя, предотвращая превышение напряжения в цепи постоянного тока и обеспечивая безопасную и эффективную работу системы. Распространённые решения включают динамическое торможение и рекуперативное торможение, которые выбираются в зависимости от характеристик нагрузки, требований к энергоэффективности и стоимости.

В системе частотного регулирования замедление и остановка двигателя осуществляются путём постепенного снижения частоты. В момент снижения частоты синхронная скорость двигателя соответственно падает, в то время как скорость ротора остаётся неизменной из-за механической инерции. Когда синхронная скорость w_1 становится ниже скорости ротора w, фаза тока ротора смещается почти на 180 градусов, что приводит к переходу двигателя из двигательного режима в генераторный. Одновременно крутящий момент на валу двигателя становится тормозным моментом T_e, быстро снижая скорость двигателя, и двигатель переходит в режим рекуперативного торможения. Рекуперативная электрическая энергия P от двигателя возвращается в цепь постоянного тока через полное выпрямление с помощью диодов обратного хода. Поскольку электрическая энергия в цепи постоянного тока не может быть возвращена в сеть через выпрямительный мост, она поглощается только собственным конденсатором преобразователя. Хотя другие части могут потреблять электрическую энергию, конденсатор всё же накапливает заряд за короткий промежуток времени, образуя «поднятое напряжение», что приводит к повышению напряжения постоянного тока Ud. Чрезмерное напряжение постоянного тока может повредить различные компоненты. Поэтому необходимо принять меры для обработки этой рекуперативной энергии. Наша компания предлагает следующие два решения.

Решение А: Динамическое торможение
Этот метод рассеивает рекуперативную энергию с помощью тормозного резистора. Принцип его работы заключается в использовании прерывателя (также известного как тормозной блок) для управления поглощением энергии тормозным резистором в цепи постоянного тока, что обеспечивает быстрое торможение. Данное решение отличается простой конструкцией, низкой стоимостью и высоким тормозным моментом, а также не вызывает загрязнения электрической сети. Однако оно не позволяет восстанавливать рекуперативную энергию. Подходит для сценариев, чувствительных к стоимости или с низкими требованиями к стабильности сети, например, в стандартных центрифугах или строгальных станках.

Решение Б: Рекуперативное торможение
Этот метод преобразует рекуперативную энергию в переменный ток той же частоты и фазы для возврата в сеть. Используя технологию активной инверсии, он обеспечивает рециклинг энергии, повышает эффективность системы и поддерживает работу в четырёх квадрантах. Однако он требует стабильного напряжения сети (колебания не должны превышать 15%); в противном случае может легко возникнуть сбой коммутации. Также существует риск гармонического загрязнения, а сложность управления и стоимость относительно высоки. Подходит для применений, требующих частого торможения и стабильного электроснабжения, таких как потенциальные нагрузки в кранах и лифтах.

Запрос по продукту или решению

Динамическое торможение Рекуперативное торможение

Динамическое торможение

Метод динамического торможения заключается в установке разрядного резистора на стороне постоянного тока (DC) частотно-регулируемого привода (ЧРП) для поглощения энергии рекуперации через силовой резистор, что обеспечивает эффективное торможение (как показано на схеме). Это наиболее прямой способ управления энергией рекуперации, при котором энергия рассеивается в виде тепла через специальную цепь динамического торможения в резисторе. Поэтому данный метод также называют «резисторным торможением». Система состоит из двух основных компонентов: тормозного модуля и тормозного резистора.

1. Принцип торможения

1.1. Тормозной модуль
Функция тормозного модуля заключается в активации цепи рассеивания энергии, когда напряжение на шине постоянного тока U_d превышает заданный порог (т. е. напряжение прерывания/чоппера). Это позволяет цепи постоянного тока сбрасывать энергию в виде тепла через тормозной резистор. Тормозные модули классифицируются на два типа: встроенные и внешние. Первые подходят для универсальных ЧРП малой мощности, в то время как вторые используются для мощных приводов или в условиях эксплуатации со специфическими требованиями к торможению. По принципу работы между ними нет различий; оба выполняют роль «ключа» для подключения тормозного резистора и состоят из силового транзистора, схемы выборки и сравнения напряжения, а также схемы управления.

1.2. Тормозной резистор
Тормозной резистор — это компонент, используемый для рассеивания рекуперативной энергии двигателя в виде тепла. Он характеризуется двумя ключевыми параметрами: сопротивлением и мощностью. Исходя из различных областей применения, нашей компанией разработан ряд тормозных резисторов с различными эксплуатационными характеристиками. Пожалуйста, обратитесь к сравнительной таблице тормозных резисторов для получения подробной информации.

2. Процесс торможения

Процесс динамического торможения протекает следующим образом:
2.1. Когда двигатель замедляется или вращается в обратном направлении под воздействием внешней силы (включая привод со стороны нагрузки), он переходит в режим генератора, возвращая энергию на шину постоянного тока, что вызывает рост напряжения на ней;
2.2. Когда напряжение на шине DC достигает порога срабатывания тормозного модуля, силовой транзистор в модуле открывается, позволяя току течь через тормозной резистор;
2.3. Тормозной резистор преобразует электрическую энергию в тепловую, снижая скорость двигателя и, как следствие, понижая напряжение на шине постоянного тока;
2.4. Когда напряжение на шине DC падает до значения отсечки тормозного модуля, силовой транзистор закрывается, прекращая протекание тока через резистор;
2.5. Напряжение на шине постоянного тока постоянно контролируется, и тормозной модуль повторяет этот цикл включения/выключения для регулирования напряжения, обеспечивая нормальную работу системы.

3. Характеристики торможения

Преимуществами динамического торможения (резисторного торможения) являются простота конструкции, низкая стоимость, высокий тормозной момент и отсутствие загрязнения электросети. Однако данный метод не позволяет возвращать энергию обратно в сеть, что приводит к значительным потерям энергии при частом торможении и требует увеличения мощности тормозного резистора.

4. Выбор тормозного модуля и тормозного резистора

4.1. Сначала необходимо оценить тормозной момент.
Как правило, при торможении двигателя возникают внутренние потери, составляющие примерно 18–22% от номинального крутящего момента. Таким образом, если результат расчета оказывается ниже этого диапазона, подключать тормозное устройство не требуется.
4.2. Далее следует рассчитать сопротивление тормозного резистора.
Во время работы тормозного модуля колебания напряжения на шине постоянного тока зависят от постоянной RC, где R — сопротивление тормозного резистора, а C — емкость электролитического конденсатора внутри ЧРП. Рабочее напряжение тормозного модуля обычно устанавливается на уровне 710 В.
4.3. При выборе тормозного модуля единственным критерием является максимальный рабочий ток, формула расчета которого выглядит следующим образом:
4.4. На заключительном этапе рассчитывается номинальная мощность тормозного резистора.

Поскольку тормозной резистор работает в кратковременном режиме, его номинальная мощность будет меньше мощности, потребляемой при непрерывном включении. Обычно расчет производится по формуле: Номинальная мощность = Коэффициент снижения характеристик × Средняя мощность торможения × ПВ (цикл использования в %).

Сравнительная таблица серий тормозных модулей

Основные характеристики	Серия LN 220В	Серия LN 400В	Серия GN
Номинальная мощность инвертора (Pr)	7.5 кВт – 90 кВт	7.5 кВт – 132 кВт	37 кВт – 450 кВт
Макс. тормозной ток (I)	50А – 200А	40А – 200А	75А – 450А
Повторяющаяся мощность торможения (Pm)	На основе Pr и ПВ (%)	На основе Pr и ПВ (%)	На основе Pr и ПВ (%)
Время цикла (до 600с по запросу)	Стандарт 120с	Стандарт 120с	Стандарт 120с
ПВ / Рабочий цикл (выше 40% по запросу)	до 20%	до 20%	до 40%
Напряжение сети (U) @50/60Гц	220/240В±10%	380/415В±10%	380/415В±10% 480/500В±10% 660/690В±10%
Напряжение чоппера по умолчанию (регулируемое)	DC 320В±5В	DC 660В±5В	DC 660В±5В / DC 830В±5В / DC 1150В±5В
Диэлектрическая прочность	3,000В AC @ 1 мин	3,000В AC @ 1 мин	3,000В AC @ 1 мин
Сопротивление изоляции	>20 МОм / корпус	>20 МОм / корпус	>20 МОм / корпус

5. Сравнительная таблица серий тормозных резисторов

Тип резистора	Серийный номер	Диапазон мощности (Вт)	Сопротивление	Материал корпуса	IP	Вентилятор	Особенности	Сценарии
Проволочный резистор	RXG20	50–15,000	На заказ	Нет	IP00	Нет	Низкий IP, малая стоимость, хороший теплоотвод	Лифты, краны, ЧРП
В алюминиевом корпусе	RXLG	20–11,000	На заказ	Нет	IP21/IP65	Нет	Высокий IP, компактность, не для длительной работы	Лифты, краны, ЧРП, ТПА, ЧПУ, роботы, ЭТС
Компактный алюминиевый	RXLG				IP21/IP65	Нет	Компактный, большой ток, низкое сопротивление	Электросамокаты
С радиатором	RAD				IP21		Высокий ток, алюм. радиатор, модульность	Ограниченное пространство

Тип шкафа	Серия	Мощность (кВт)	Тип резистора	Материал	IP	Вентилятор	Особенности	Сценарии
Многомодульный (алюм.)	ARXU	15-50	Алюминиевый корпус	Холоднокатаная сталь	IP21/IP54	Малый	Высокий IP, герметичная клеммная коробка	Лифты, краны, ЧРП
Сетчатый STL (нерж.)	STL	6-250	Сетчатый из нерж. стали	304/316	IP54	От 12 кВт	Стойкость к коррозии и солевому туману	Портовые и башенные краны (улица)
Сетчатый STC	STC	6-250	Сетчатый из нерж. стали	Оцинкованная сталь	IP54	От 12 кВт	Влагозащита, не для солевого тумана	Тяжелые нагрузки, помещение/улица
Керамический шкаф	DBR	9-100	Проволочный	Оцинкованная сталь	IP54	Нет	Высокая перегрузочная способность и надежность	Тяжелые нагрузки, помещение/улица
Пластинчатый блок	DBR	1-200	Пластинчатый	Оцинкованная сталь	IP00	Опция	Долгий срок службы, большой ток	Тяжелые нагрузки в помещении
Сетчатый бокс STB	STB	1-27	Сетчатый из нерж. стали	Холоднокатаная сталь	IP00	Нет	Хороший теплоотвод, низкая защита	Длительные нагрузки в помещении
Керамический бокс	BRB	2-36	Проволочный	Холоднокатаная сталь	IP00	От 20 кВт	Хороший теплоотвод, низкая вибростойкость	Длительные нагрузки в помещении
Лифтовой (нерж.)	EVR	3-9	Сетчатый из нерж. стали	Оцинкованная сталь	IP00	Нет	Компактность, частичная влагозащита	Специально для лифтов

.subsolution-0 h4

Рекуперативное торможение

Рекуперативное торможение, также известное как торможение с обратной связью, работает на основе технологии активного инвертирования. Оно преобразует рекуперативную энергию, возникающую при замедлении или остановке двигателя, в переменный ток, соответствующий частоте, фазе и напряжению электросети. Эта энергия направляется непосредственно обратно в сеть, обеспечивая её повторное использование, что фундаментально решает проблему «накачки напряжения» на шине постоянного тока и обеспечивает значительную экономию электроэнергии. Являясь высокотехнологичным решением для систем частотно-регулируемого электропривода (ЧРП), данная технология поддерживает работу двигателя в четырех квадрантах и идеально подходит для промышленных задач с потенциальными нагрузками или частым торможением.

Основные компоненты

Система рекуперативного торможения состоит из четырех основных частей: рекуперативного блока (активного инвертора), фильтрующего контура, контура обнаружения и управления, а также контура защиты. В некоторых комплексных решениях основные модули объединяются в шкаф рекуперативного торможения, предназначенный для систем ЧРП высокой мощности.

Рекуперативный блок (инвертор)

Сердцем системы является мощный инверторный мост (состоящий из силовых полупроводников, таких как IGBT), который преобразует постоянный ток в переменный. Он точно контролирует частоту, фазу и амплитуду инвертированного напряжения для синхронизации с параметрами электросети.

Фильтрующий контур

Включает в себя такие компоненты, как реакторы и конденсаторы. Он служит для подавления гармоник, возникающих в процессе инвертирования, снижения гармонических помех в сети и стабилизации тока обратной связи.

Контур обнаружения и управления

Осуществляет мониторинг напряжения, частоты и фазы сети, а также напряжения на шине постоянного тока инвертора в режиме реального времени. Алгоритм управления с замкнутым контуром регулирует состояние инверторного моста, обеспечивая синхронизацию и стабильность передачи энергии.

Контур защиты

Обеспечивает защиту от перенапряжения, сверхтока, потери фазы, ошибок чередования фаз и недопустимых колебаний сети. При колебаниях сетевого напряжения свыше 15% или возникновении неисправности система мгновенно разрывает цепь обратной связи, чтобы предотвратить сбой коммутации, повреждение оборудования и распространение сетевых аварий.

1. Принцип работы

1.1. Когда двигатель замедляется, останавливается или отдает потенциальную энергию (например, при опускании груза краном или движении лифта вниз), он продолжает вращаться с высокой скоростью за счет механической инерции. Синхронная скорость становится ниже скорости ротора, и двигатель переходит в режим генератора. Рекуперированная электроэнергия выпрямляется диодами и поступает обратно на шину постоянного тока частотного преобразователя, вызывая рост напряжения Ud.

1.2. Как только напряжение на шине постоянного тока достигает порога срабатывания рекуперативного блока, контур обнаружения фиксирует сигналы напряжения, частоты и фазы электросети в реальном времени, а контроллер запускает инверторный мост рекуператора.

1.3. Инверторный мост преобразует энергию с шины постоянного тока в трехфазный переменный ток, параметры которого идентичны параметрам сети. После фильтрации гармоник энергия возвращается в общую электросеть.

1.4. При падении напряжения на шине постоянного тока до порога остановки инверторный мост прекращает работу. Если напряжение на шине снова возрастает, процесс повторяется, поддерживая напряжение Ud в безопасном диапазоне.

2. Процесс торможения

2.1. Генерация энергии: Двигатель работает в режиме рекуперативного торможения, направляя энергию в цепь постоянного тока ЧРП, что ведет к росту напряжения на шине.

2.2. Срабатывание порога: При достижении заданного пускового напряжения контур обнаружения начинает выборку параметров сети, и система управления переходит в рабочий режим.

2.3. Активное инвертирование: Инверторный мост преобразует постоянный ток в переменный, соответствующий сетевым стандартам, который после фильтрации поступает в сеть.

2.4. Стабилизация напряжения: По мере возврата энергии напряжение на шине постоянного тока снижается. При достижении порога остановки рекуперация прекращается.

2.5. Циклический мониторинг: Система непрерывно контролирует напряжение. Процесс инвертирования динамически повторяется при каждом скачке напряжения, обеспечивая баланс и безопасность системы «ЧРП — двигатель».

3. Особенности и преимущества

3.1. Рекуперация и высокая энергоэффективность: Энергия возвращается в сеть для повторного использования. В отличие от динамического торможения, энергия не теряется. В задачах с частым торможением или большими инерционными нагрузками экономия электроэнергии становится наиболее ощутимой.

3.2. Отсутствие тепловых потерь: Поскольку тормозные резисторы не используются, исключается избыточное тепловыделение. Это снижает тепловую нагрузку на оборудование, устраняет необходимость в мощных системах охлаждения и сокращает эксплуатационные расходы.

3.3. Стабильный тормозной момент и работа в четырех квадрантах: Система обеспечивает стабильный момент при торможении и поддерживает работу во всех режимах (вперед/назад, тяга/торможение). Это критично для кранов, подъемников и шахтных лебедок.

3.4. Низкие долгосрочные затраты: Несмотря на более высокие первоначальные вложения, экономия энергии окупает оборудование в течение жизненного цикла. Отсутствие необходимости замены изнашиваемых резисторов также снижает затраты на обслуживание.

4. Выбор и меры предосторожности

4.1. Критерии выбора

Параметры сети: Подтвердите уровень напряжения, количество фаз и стабильность сети (требуется соответствие диапазону ±15%).
Рекуперативная мощность: Рассчитайте пиковую и среднюю мощность рекуперации на основе мощности двигателя, частоты торможения и времени замедления.
Характеристики нагрузки: Для потенциальных нагрузок учитывайте мощность при максимальной скорости спуска, закладывая запас 1.2–1.5 раза.
Электромагнитная совместимость: Подберите соответствующие реакторы и фильтры для соблюдения стандартов по гармоническим искажениям в сети.

4.2. Меры предосторожности при эксплуатации

4.2.1. При установке обязательно используйте изолирующий автоматический выключатель между рекуператором и сетью. Сечение кабелей к шине постоянного тока должно быть достаточным для минимизации потерь.

4.2.2. Регулярно проверяйте силовые компоненты и датчики, своевременно заменяя изношенные детали во избежание сбоев, влияющих на электросеть.

4.2.3. При нестабильности сети рекомендуется использовать дополнительные стабилизаторы напряжения для повышения надежности системы.

4.2.4. Система рекуперативного торможения требует отдельного заземления, независимого от системы заземления инвертора, для предотвращения помех.

5. Области применения

Рекуперативное торможение рекомендовано для объектов со стабильными сетями, режимами частого реверсирования и высокими требованиями к энергоэффективности. Основные сферы применения:

5.1. Подъемное оборудование: лифты, эскалаторы, мостовые и башенные краны, шахтные подъемники, гидравлические платформы.

5.2. Высокоинерционное оборудование: крупные центрифуги, прокатные станы, станки-качалки нефтедобычи, портовые перегружатели.

5.3. Оборудование с частым реверсом: шпиндели станков, металлургические конвейеры, скребковые конвейеры в горнодобывающей промышленности.

Ограничения: Не рекомендуется использовать при сильных колебаниях сетевого напряжения, высоком уровне гармоник в сети, а также для простых нагрузок с низкой частотой торможения (малые вентиляторы, стандартные насосы), где экономическая выгода будет минимальной.

.subsolution-1 h4

Сопутствующие продукты

Мы применили множество продуктов в решении "Рекуперативное торможение"