Rezystor hamujący do falownika – jak dobrać moc, rezystancję i sposób pracy
Rezystor hamujący do falownika umożliwia rozproszenie energii powstającej podczas hamowania silnika. Jest potrzebny przede wszystkim w napędach, w których wymagane jest szybkie zatrzymywanie, częste wytracanie prędkości albo hamowanie obciążenia o dużej bezwładności. Jego dobór nie powinien opierać się wyłącznie na mocy silnika czy falownika. Trzeba uwzględnić parametry obwodu hamowania, energię oddawaną podczas zwalniania oraz częstotliwość i czas trwania cykli. Wyjaśniamy, jak działa rezystor hamujący, kiedy jest potrzebny oraz jakie znaczenie mają jego rezystancja, moc i sposób pracy.
Z tego artykułu dowiesz się:
- do czego służy rezystor hamujący w układzie z falownikiem;
- kiedy napęd wymaga zastosowania dodatkowego rezystora;
- jakie znaczenie ma rezystancja elementu hamującego;
- czym różnią się moc chwilowa i obciążenie średnie;
- jak cykl pracy wpływa na dobór rezystora;
- jakie wymagania należy sprawdzić w dokumentacji falownika.
Jak działa rezystor hamujący do falownika?
Podczas normalnej pracy falownik dostarcza energię do silnika i steruje jego prędkością oraz momentem. Sytuacja zmienia się podczas hamowania. Jeżeli napęd szybko zmniejsza prędkość, silnik może przejść do pracy generatorowej i oddawać energię w kierunku falownika. Powoduje to wzrost napięcia w obwodzie pośrednim DC.
W układzie hamowania rezystor jest załączany przez tranzystor lub moduł określany jako chopper hamujący. Po osiągnięciu określonego poziomu napięcia chopper kieruje energię do rezystora, gdzie zostaje ona zamieniona w ciepło. Pozwala to ograniczać wzrost napięcia obwodu pośredniego podczas hamowania.
Nie każdy falownik ma jednak wbudowany chopper hamujący. W zależności od modelu może on stanowić wyposażenie standardowe, opcjonalne albo wymagać zastosowania zewnętrznego modułu hamującego. Przed podłączeniem rezystora należy więc sprawdzić dokumentację konkretnego urządzenia i upewnić się, że falownik jest przystosowany do takiej formy hamowania.
Kiedy stosuje się rezystor hamujący?
Rezystor hamujący jest przydatny tam, gdzie energia powstająca podczas zwalniania napędu nie może zostać skutecznie rozproszona w inny sposób. Dotyczy to szczególnie aplikacji wymagających krótkich czasów hamowania oraz układów, w których obciążenie ma znaczną bezwładność.
Takie rozwiązania można spotkać m.in. w napędach przenośników, wirówek, maszyn produkcyjnych oraz innych mechanizmów wykonujących częste cykle przyspieszania i zwalniania. Potrzeba hamowania może pojawić się również w aplikacjach, w których obciążenie napędza silnik, powodując jego pracę generatorową.
Nie oznacza to jednak, że każdy falownik powinien zostać wyposażony w rezystor. W niektórych aplikacjach wystarczające jest odpowiednie wydłużenie czasu hamowania, o ile pozwala na to proces technologiczny. W innych ilość odzyskiwanej energii jest na tyle duża lub hamowanie występuje tak często, że należy rozważyć inne rozwiązanie, np. układ regeneracyjny umożliwiający zwrot energii.
Decyzja o zastosowaniu rezystora powinna więc wynikać z charakterystyki konkretnego napędu.
Jak dobrać rezystancję rezystora hamującego?
Wartość rezystancji jest jednym z podstawowych parametrów obwodu hamowania. Nie można jednak przyjąć jednej uniwersalnej wartości odpowiedniej dla falowników o określonej mocy. Dopuszczalny zakres rezystancji wynika z konstrukcji konkretnego przemiennika częstotliwości i jego układu hamującego.
Szczególnie istotna jest minimalna dopuszczalna rezystancja określona przez producenta falownika lub choppera. Zastosowanie rezystora o zbyt małej wartości powoduje wzrost prądu płynącego przez obwód hamowania i może doprowadzić do przeciążenia lub uszkodzenia elementów układu.
Nie należy również zakładać, że dowolnie duża rezystancja będzie właściwym i bezpiecznym rozwiązaniem pod względem funkcjonalnym. Wraz ze wzrostem rezystancji zmniejsza się możliwy prąd i moc hamowania. Zbyt wysoka wartość może więc sprawić, że układ nie zapewni wymaganej intensywności wytracania energii.
Punktem wyjścia powinny być wartości i sposób doboru podane w dokumentacji konkretnego falownika. Dopiero w tych granicach dobiera się rozwiązanie odpowiadające wymaganiom aplikacji.
Moc rezystora hamującego – co należy uwzględnić?
Moc rezystora hamującego nie powinna być automatycznie utożsamiana z mocą znamionową silnika. Podczas doboru znaczenie ma przede wszystkim ilość energii, którą trzeba rozproszyć podczas hamowania, oraz sposób powtarzania się kolejnych cykli.
Inne wymagania występują, gdy napęd hamuje przez kilka sekund, a następnie przez długi czas pracuje bez hamowania, a inne, gdy cykle zatrzymywania następują jeden po drugim. Rezystor może w krótkim czasie przyjąć dużą porcję energii, ale musi mieć możliwość odprowadzenia powstałego ciepła przed kolejnymi cyklami.
Z tego względu dokumentacja rezystorów może określać zarówno dopuszczalne obciążenie, jak i zdolność pochłaniania energii w określonym cyklu. Przy obliczeniach uwzględnia się m.in. maksymalną moc występującą podczas hamowania, czas hamowania oraz czas całego cyklu.
Nie wystarczy więc porównać wartości podanych w watach lub kilowatach. Trzeba sprawdzić, czy charakterystyka cieplna rezystora odpowiada rzeczywistemu przebiegowi pracy maszyny.
Cykl pracy rezystora hamującego a częstotliwość hamowania
Cykl pracy określa, jak długo rezystor jest obciążony w stosunku do całego czasu powtarzającego się procesu. Parametr ten ma bezpośredni wpływ na ilość ciepła, którą element musi przyjąć i następnie odprowadzić.
Przykładowo napęd hamujący krótko raz na kilka minut stawia inne wymagania niż mechanizm zatrzymywany co kilkanaście sekund. Nawet jeżeli chwilowa moc hamowania jest w obu przypadkach podobna, średnie obciążenie cieplne rezystora może być zupełnie inne.
Przy doborze należy zatem znać przynajmniej czas hamowania, maksymalną moc występującą w tej fazie oraz czas pomiędzy kolejnymi hamowaniami. W przypadku nieregularnej pracy warto uwzględnić najbardziej wymagający przewidywany cykl, a nie tylko typowe warunki eksploatacji.
Trzeba również sprawdzić ograniczenia samego choppera hamującego. Rezystor może mieć odpowiednią zdolność odprowadzania ciepła, ale nie oznacza to jeszcze, że układ hamujący falownika jest przystosowany do tak intensywnej pracy.
Jak sposób hamowania wpływa na dobór rezystora?
Dobór układu hamowania zależy również od dynamiki maszyny. Energia, którą trzeba wytracić, jest związana m.in. z bezwładnością układu, prędkością przed rozpoczęciem zwalniania i wymaganym czasem zatrzymania. W aplikacjach podnoszenia znaczenie może mieć dodatkowo energia wynikająca z ruchu obciążenia.
Im krótszy wymagany czas zatrzymania układu o dużej bezwładności, tym większa może być chwilowa moc hamowania. Samo zwiększenie mocy rezystora nie rozwiązuje jednak każdego problemu. Ograniczeniem pozostają parametry choppera, falownika i całego obwodu DC.
Przy bardzo częstym lub długotrwałym hamowaniu rezystorowe rozpraszanie energii może również powodować znaczne wydzielanie ciepła. W takich aplikacjach warto przeanalizować bilans energetyczny i sprawdzić, czy odpowiedniejszym rozwiązaniem nie będzie napęd regeneracyjny.
Nie ma więc jednego sposobu pracy rezystora właściwego dla wszystkich maszyn. Układ powinien zostać dopasowany do rzeczywistego przebiegu obciążenia i wymagań procesu.
Montaż i zabezpieczenie rezystora hamującego
Podczas pracy rezystor hamujący może osiągać wysoką temperaturę, ponieważ jego podstawowym zadaniem jest zamiana energii elektrycznej w ciepło. Miejsce montażu powinno zatem zapewniać warunki odprowadzania ciepła zgodne z wymaganiami producenta i ograniczać jego wpływ na pozostałe elementy instalacji.
W przypadku montażu w szafie sterowniczej należy uwzględnić dodatkową moc cieplną przy projektowaniu wentylacji lub chłodzenia. W określonych rozwiązaniach korzystniejsze może być umieszczenie rezystora poza szafą, jeżeli pozwalają na to jego konstrukcja, warunki otoczenia i instrukcja producenta.
Istotne są również wymagania dotyczące ochrony termicznej, prowadzenia przewodów i zabezpieczenia przed przypadkowym kontaktem z rozgrzanymi elementami. Niektóre rezystory wyposażone są w elementy umożliwiające sygnalizację przegrzania.
Sposób podłączenia oraz wymagane środki ochronne należy zawsze ustalać na podstawie dokumentacji falownika, choppera i rezystora. Dotyczy to również dopuszczalnych długości oraz parametrów przewodów połączeniowych.
Jak prawidłowo dobrać rezystor hamujący do falownika?
Dobór warto rozpocząć od analizy samej aplikacji, a nie od katalogu rezystorów. Trzeba określić, jaka energia będzie oddawana podczas hamowania, jak długo trwa zatrzymanie oraz jak często cykl się powtarza. Znaczenie mają m.in. bezwładność napędzanych elementów, prędkość oraz charakter obciążenia.
Następnie należy sprawdzić dokumentację konkretnego falownika. Producent określa, czy urządzenie ma wbudowany chopper hamujący, jaka jest minimalna dopuszczalna rezystancja oraz jakie ograniczenia dotyczą mocy i cyklu hamowania. Dla części urządzeń dostępne są również tabele zalecanych rezystorów.
Na tej podstawie można dobrać rezystancję, wymaganą zdolność do przyjęcia energii oraz parametry cieplne elementu. Konieczne jest jednoczesne spełnienie ograniczeń falownika, choppera i samego rezystora.
Dlatego dobór na zasadzie „falownik 5,5 kW – rezystor 5,5 kW” nie jest właściwą metodą. Dwa napędy wykorzystujące falownik o tej samej mocy mogą wymagać zupełnie innych układów hamowania ze względu na różną dynamikę i częstotliwość pracy.
