مقاومت ترمز اینورتر (Brake Chopper) و نحوه محاسبه آن

مقاومت ترمز اینورتر (Brake Chopper)

مقاومت ترمز به صورت مستقیم به مبدل فرکانس متصل می شود و CHOPPER ترمز، این مقاومت را فعال می‌سازد و زمانی که فرکانس خروجی اینورتر به دلیل کنترل سیستم کاهش پیدا می‌کند، آن را وارد مدار می‌‌کند . کاهش در میزان سرعت یا عملکرد ترمز باعث کاهش فرکانس جریان  الکتروموتور می‌گردد و کاهش فرکانس در سلف موجب تبدیل سیم پیچ ها به ژنراتورمی شود، در نتیجه ولتاژ بالا می رود و زمانی که این ولتاژ از یک مقدار مشخص بالاتر می رود (chopper ) ، مقاومت ترمز را فعال می‌سازد تا زمانی که ولتاژ به حد نرمال خود در شبکه برسد. این عمل تا زمانی ادامه می‌یابد که سرعت موتور با سرعت ورودی متناسب شود.

مقاومت ترمز معمولا در زمان‌های کوتاه فعال است و باعث تبدیل انرژی الکتریکی به وجود آمده ناشی از ترمز، به حرارت می‌گردد. این عمل مقاومت به صورت متناوب انجام گرفته که می‌توان برای آن Duty cycle تعریف کرد .

به منظور جلوگیری از افزایش بیش از حد ولتاژ باس DC دو راهکار موجود است:

1- اینورتر خود مانع جریان توان از پروسه به مبدل فرکانس شود.

این راهکار با محدود کردن گشتاور ترمز برای حفظ ولتاژ باس DC در یک سطح ثابت، قابل انجام است.

این عمل، کنترل ولتاژ اضافی نامیده می‌شوند و یک ویژگی استاندارد برای اکثر درایو های مدرن به حساب می آید.

با این حال، این بدان معنی است که مشخصات ترمز ماشین آلات، با توجه به نمودار سرعت تعیین شده توسط کاربر، قابلیت اجرایی ندارند.

ظرفیت ذخیره سازی اینورتر معمولا بسیار کوچک است، به عنوان مثال؛ برای یک درایو ۹۰ کیلوواتی، میزان ظرفیت معمولا 5mF  می باشد.

به طور کلی این طیف از مقادیر، برای تمامی درایو های AC ولتاژ پایین و مدرن، بدون درنظر گرفتن توان نامی آن ها، صادق است.

عملا این بدان معناست که کنترل گر ولتاژ اضافی و کنترل گر پرتوان گشتاور موتور AC، می‌بایست دارای عملکردی سریع باشند.

همچنین فعال سازی بازیابی یا چاپر ترمز می‌بایست بسار سریع انجام شوند به خصوص زمانی که در پیکربندی درایو استفاده می‌شوند.

 2-اصل چاپر ترمز

امکانی دیگر برای محدود کردن ولتاژ باس DC، هدایت انرژی ترمز به یک مقاومت از طریق یک چاپر ترمز است.

چاپر ترمز یک سوئیچ الکتریکی است که ولتاژ باس DC را به یک مقاومت که در آن انرژی ترمز تبدیل به گرما می شود، متصل می‌کند.

چاپر ترمز زمانی که ولتاژ حقیقی باس DC از یک سطح مشخص که وابسته به ولتاژ نامی اینورتر است، تجاوز کند به صورت خودکار فعال می‌گردد.

در بعضی از اینورتر ها تا توان ۱۳۲ کیلووات مجهز به چاپر داخلی هستند و مجهز به پارامترهایی ویژه برای کنترل بهتر انرژی ترمز می‌باشد.

مزایای اصلی چاپر ترمز و راه حل های مورد استفاده برای مقاومت بدین شرح است؛

• ساختار الکتریکی ساده و تکنولوژی شناخته شده.
• سرمایه گذاری اساسی پایین برای چاپر و مقاومت.
• چاپر حتی اگر تغذیه AC از دست برود باز هم کار می‌کند.

در طول از دست رفتن توان اصلی (قطعی برق اصلی) ممکن است عمل ترمز لازم باشد، به عنوان مثال؛ در آسانسور ها یا سایر کاربرد های مرتبط با برنامه.

معایب اصلی چاپر و مقاومت عبارتند از:

انرژی ترمز در صورتی که نتوان از گرمای تولیدی مقاومت ترمز مثلا برای تولید هوای گرم استفاده کرد، هدر می‌رود.

چاپر و مقاومت ترمز نیازمند فضای اضافی و امن هستند.

ممکن است نیاز به سرمایه گذاری اضافه ای در خنک سازی و گرم کردن سیستم بازیابی باشد.

چاپر ها اغلب برای چرخه خاصی سایزبندی می‌شوند، به عنوان مثال: توان ۱۰۰% و ۱.۱۰ دقیقه، برای مدت زمان یک ترمز طولانی، ابعاد دقیق تری از چاپر ترمز لازم است.

خطر آتش سوزی با توجه به حرارت مقاومت، گرد و غبار احتمالی و اجزای شیمیایی در فضای هوای محیط افزایش می‌یابد.

افزایش سطح ولتاژ باس DC در طول ترمز، سبب ایجاد تنش در عایق موتور می‌گردد و احتمال خرابی و ترکیدگی خازن های باس DC بسیار بالا است.

چه زمانی باید از یک چاپر ترمز استفاده کنیم؟

• چرخه ترمز گاها لازم باشد.
• مقدار انرژی ترمز در مقایسه با انرژی راه اندازی موتور بسیار ناچیز باشد.
• عملیات ترمز در طول ازدست رفتن توان اصلی لازم باشد.

چه زمانی راهکارهای دیگری را جز چاپر و مقامت ترمز در نظر بگیریم؟

عملیات ترمز استمرار داشته و به صورت منظم تکرار شود.

مقدار کل انرژی ترمز نسبت به انرژی لازم برای راه اندازی موتور بالاتر باشد.

توان ترمز آنی بالا باشد، به عنوان مثال؛ چندصد کیلووات برای چند دقیقه.

هوای محیط شامل مقدار قابل توجهی از گرد و غبار، اشیاء قابل احتراق یا مواد منفجره و  مواد فلزی باشد.

محاسبه مقاومت ترمز اینورتر (درایو فرکانس متغیر)

مقاومت‌های ترمز دینامیک (DBRs) برای سیستم‌های درایو DC و اینورترها

یک موتور درایو می تواند به عنوان یک ژنراتور نیز عمل کند. اگر سیستم درایو به گونه ای ساخته شده باشد که اجازه دهد توان در جهت معکوس جریان یابد آنگاه این توان می‌تواند به یک مقاومت اعمال گردد، بدین طریق انرژی را به خارج از سیستم انتقال داده و باعث شود سرعت مجموعه ای را که موتور می‌چرخاند کاهش بیابد.

میزان ترمز گرفتن با توجه به اینکه انرژی با چه سرعتی در مقاومت ترمز تخلیه می شود تعیین می‌گردد. خازن لینک DC هر اینورتر یا درایو خودش می تواند 3 تا 5 % توان بازیابی شده را جذب کند. برای کاربردهای غیر بحرانی این تلفات به اضافه تلفات مکانیکی در سیستم دوار، ممکن است ترمز کافی ایجاد کند. توان‌های بیشتر، تا 100% یا بیشتر مقدار گشتاور بار کامل الکتروموتور می‌تواند جذب شده و سپس در مقاومت‌های ترمز متصل به دو سر باس DC جذب شود. در جاهایی که توان ترمز تنها چند ده یا چند صد وات (مقدار کم) است یک مقاومت ترمز که در داخل درایو نصب شده است ممکن است خودش به تنهایی مناسب باشد. اما بالاتر از این سطوح مقدار حرارت تولید شده باعث می‌شود به مقاومت ترمز که جداگانه نصب شده همراه با تدارکات خنک کاری مناسب نیاز باشد.

مقاومت ترمز بوسیله یک واحد کنترل جداگانه سوئیچ می‌شود، با استفاده از یک سنسور که سطح ولتاژ باس DC را پایش فعال می شود. و وقتی که بدلیل شارش معکوس توان به درایو این ولتاژ از سطح از پیش تعیین شده بیشتر شود مقاومت ترمز وصل می‌گردد. ممکن است یک سنسور دما در مقاومت ترمز برای جلوگیری اضافه بار شدن درایو قرار داده شده باشد. همه انرژی به منظور تلف شدن در مقاومت استفاده می‌شود، مقداری فورا تلف می‌گردد و بقیه پس از توقف هنگامی که مقاومت خنک شده است. به همین دلیل ما بایستی خصوصیت چرخه کار را بدانیم و سپس می‌توانیم اندازه صحیح مقاومت ترمز را تعیین کنیم.

انرژی متوقف کنندگی چیست؟

مقاومت ترمز انرژی را مجددا به حرارت تبدیل می کند. هر دو نوع انرژی بر حسب ژول اندازه گیری می شوند (J) . یک ژول کمیت خیلی کوچکی است، ازینرو ما پیوسته درباره kJ یا MJ صحبت می‌کنیم. به منظور طراحی سیستم ترمز ما بایستی هم مقدار حرارت (بر حسب ژول) و نرخ حرارتی را که می‌خواهیم تولید شود را منظور کنیم. این ژول ثانیه است که معمولا به عنوان وات شناخته می‌شود. و به دلایلی مشابه معمولا بر حسب kW یا MW اندازه گیری می‌شود. بنابراین ما نیاز داریم بدانیم که چه مقدار انرژی برای هر توقف نیاز است وفرکانس توقف چقدر است؟

انرژی بر توقف: پیک انرژی برق مقاومت ترمز را در هر توقف تعین می کند.

فرکانس توقف: توان متوسط مقاومت ترمز را تعیین می کند.

اندازه و سایز مقاومت ترمز دینامیکی چگونه محاسبه می گردد؟

برای تعیین مقاومت ما نیاز داریم که سه چیز را بدانیم: مقدار انرژی در هر توقف، چرخه کاردهی و مقدار مقاومت اهمی. دو تای اول معمولا در یک متغیر ترکیب می‌شوند و به عنوان توان مقاومت ظاهر می شوند.

 توان

در دنیای ایده آل شما می‌توانید انرژی مکانیکی درگیر در هر توقف را محاسبه کنید، با استفاده از یک یا تعداد بیشتری از فرمول‌های فوق. این مقدار، مجموع انرژی های جنبشی، دورانی و پتانسیل خواهد بود البته با کسر تلفات اصطکاکی اگر در سیستم موتور/درایو این تلفات مقدار قابل توجه و قابل محاسبه ای باشند.

متاسفانه در دنیای واقعی مساله متفاوت است کم و بیش احتمالا شما هیچ اطلاعات نداشته و یا اینکه اطلاعات کمی از کاربری موتور دارید. تولید کنندگان مقاومت هم مثل ما هستند- برای ایمنی شما احتمالا مقاومت DBR بزرگتری از مقداری که شما واقعا نیاز دارید سفارش می شود- اما شما هنوز نیاز به تصمیم گیری دارید. پیشنهاد ما به صورت زیر است: اگر شما می‌دانید که از چه درایوی قرار است استفاده شود و می‌توانید مقدار زمان شروع را معین کنید آنگاه:

انرژی توقف = انرژی راه اندازی (تقریبا)

= زمان راه اندازی * توان در طی راه اندازی

= زمان راه اندازی * توان Max

= زمان راه اندازی * توان درایو

با دانستن انرژی توقف و چرخه کاردهی شما می‌توانید متوسط توان را که به مقاومت اعمال می‌شود و در بیشتر چرخه های کاردهی نیز همین طور خواهد بود، تعیین کنید. وقتی که زمان توقف نسبت به کل دوره کار کوتاه است امکان دارد که نیاز باشد ظرفیت حرارتی مقاومت ترمز را نیز در نظر بگیریم، تا مطمئن شویم که در حین توقف ها دچار اضافه حرارت نخواهد شد.

اهم

مقدار مقاومت اهمی نرخ انرژی اعمال شونده به مقاومت یا همان توان ترمز کنندگی را تنظیم می‌کند. مقدار کمتر مقاومت اهمی، توان ترمزی بیشتر را نتیجه می‌دهد. حداقل اهم توسط تولید کننده درایو تنظیم شده، و توان ترمزی را در پیک نامی درایو تولید خواهد کرد (یا ماژول ترمز آن).

اهم =(توان پیک) / 2(ولتاژ باس DC)

مقادیر مقاومت اهمی بالاتر می‌تواند استفاده شود؛ این کار باعث می‌شود توان ترمز کنندگی به تناسب کاهش یابد، و از اینرو زمان‌های توقف برای هر بار مفروضی افزایش خواهد یافت.