Rezystor hamujący przy falowniku służy do rozpraszania energii, która wraca z napędu podczas hamowania. Gdy silnik szybko wytraca prędkość, zatrzymuje dużą bezwładność albo pracuje z obciążeniem ciągnącym, może przez chwilę działać jak generator. Energia wraca wtedy do obwodu DC falownika i podnosi jego napięcie.
Jeżeli falownik nie ma gdzie tej energii oddać, może zgłosić błąd przepięcia, zwykle opisany jako DC bus overvoltage, overvoltage albo podobnie. Rezystor hamujący, załączany przez chopper hamowania, zamienia nadmiar energii w ciepło. To grzanie jest normalne, ale tylko w granicach dobranej rezystancji, mocy, wentylacji i cyklu pracy.
Po co stosuje się rezystor hamujący przy falowniku?
Falownik może zmniejszać prędkość silnika przez rampę hamowania, ale sama rampa nie usuwa energii z układu mechanicznego. Przy lekkiej maszynie energia może wytracić się bez większego problemu. Przy ciężkim napędzie, krótkim czasie hamowania albo dużej bezwładności napięcie w szynie DC zaczyna rosnąć szybciej, niż falownik jest w stanie to bezpiecznie przyjąć.
Rezystor hamujący daje tej energii kontrolowaną drogę rozładowania. Gdy napięcie DC przekroczy próg załączenia, chopper hamowania kieruje energię do rezystora. Tam energia elektryczna zamienia się w ciepło. Z tego powodu rezystor nie powinien być traktowany jak zwykły element pomocniczy w szafie. To część układu energetycznego napędu.
Nie należy też mylić rezystora hamującego z hamulcem mechanicznym. Rezystor pomaga rozproszyć energię podczas hamowania elektrycznego. Hamulec mechaniczny może trzymać pozycję, zabezpieczać oś albo zatrzymać ruch w określonych warunkach, ale nie zastępuje prawidłowo dobranej strategii hamowania falownikiem.
Kiedy silnik oddaje energię do falownika?
Silnik oddaje energię wtedy, gdy napędzana maszyna wymusza jego ruch albo gdy wyhamowujesz układ szybciej, niż energia mechaniczna może naturalnie zaniknąć. Nie jest to awaria silnika. To normalna fizyka napędu, która musi zostać uwzględniona w doborze falownika i hamowania.
Typowe aplikacje z energią zwrotną
Problem pojawia się przy dużych kołach zamachowych, ciężkich przenośnikach, wentylatorach o dużej bezwładności, wirnikach, przewijarkach, odwijarkach, stołach obrotowych i układach opuszczających ciężar. W tych maszynach energia podczas hamowania nie znika „sama”, tylko musi zostać rozproszona, odzyskana albo przejęta przez inny element układu.
Energia kinetyczna i prędkość
Najprostszy obraz daje energia kinetyczna układu:
W tym zapisie Ek oznacza energię kinetyczną, J moment bezwładności, a ω prędkość kątową. Im większa bezwładność i im wyższa prędkość, tym więcej energii trzeba odebrać podczas hamowania. Najważniejszy jest kwadrat prędkości – dwa razy większa prędkość oznacza około cztery razy więcej energii do wyhamowania.
Dlaczego błąd pojawia się dopiero pod obciążeniem?
Napęd, który spokojnie zatrzymuje się bez obciążenia, po założeniu cięższego detalu albo skróceniu rampy może zacząć wybijać błąd przepięcia. Falownik nie widzi wtedy „dziwnego zachowania maszyny”. Widzi rosnące napięcie w szynie DC, bo energia mechaniczna wraca do napędu szybciej, niż układ potrafi ją rozproszyć.
Objawy złego doboru rezystora albo hamowania
| Objaw | Możliwa przyczyna | Co sprawdzić? |
|---|---|---|
| Falownik zgłasza overvoltage podczas hamowania | energia wraca do obwodu DC szybciej, niż układ ją rozprasza | rampę hamowania, rezystor, chopper hamowania i bezwładność maszyny |
| Rezystor bardzo szybko się przegrzewa lub aktywuje alarm termiczny | za mała moc średnia, zbyt częste hamowanie, zły duty cycle albo słaba wentylacja | cykl pracy, moc rezystora, miejsce montażu, chłodzenie i temperaturę otoczenia |
| Czas hamowania trzeba stale wydłużać | układ hamowania nie odbiera wymaganej energii w zadanym czasie | moc szczytową, moc średnią i realny czas cyklu maszyny |
| Rezystor jest zimny mimo błędu przepięcia | brak załączenia choppera, przerwany obwód albo błędne ustawienia hamowania | dokumentację falownika, parametry hamowania i ciągłość obwodu |
| Hamowanie działa bez obciążenia, ale z masą wybija błąd | energia układu mechanicznego jest większa niż przewidziano | masę, bezwładność, przełożenie i czas zatrzymania |
| Napęd ma problem przy opuszczaniu ciężaru | aplikacja stale oddaje energię do napędu | typ obciążenia, hamulec mechaniczny, strategię sterowania i dobór falownika |
Moc rezystora i cykl pracy – dlaczego samo „ile omów” nie wystarczy?
Dobór rezystora hamującego trzeba rozpatrywać jako cały zestaw warunków: rezystancję, moc chwilową, moc średnią, cykl pracy i odprowadzenie ciepła. Sama wartość w omach nie mówi jeszcze, czy układ bezpiecznie wyhamuje maszynę w konkretnym rytmie pracy.
Rezystancja a prąd choppera
Minimalna dopuszczalna rezystancja chroni tranzystor choppera przed zbyt dużym prądem hamowania. Jeżeli opór będzie za niski, układ hamowania może zostać przeciążony mimo tego, że sam rezystor wygląda „mocno”. Zbyt wysoka rezystancja działa w drugą stronę – ogranicza prąd hamowania tak mocno, że energia nie jest odbierana wystarczająco szybko przy danym napięciu szyny DC.
Moc szczytowa i moc średnia
Rezystor może przyjąć dużą moc przez krótki czas, ale nie oznacza to, że może stale oddawać taką samą moc cieplną. Jednorazowe hamowanie co kilka minut i cykl, w którym maszyna zatrzymuje dużą masę co kilkanaście sekund, to zupełnie inne warunki.
Duty cycle i odprowadzenie ciepła
Duty cycle, czyli cykl pracy, mówi o tym, jak często rezystor musi przyjmować energię. Krótkie hamowanie i długa przerwa pozwalają mu ostygnąć. Częste hamowanie podnosi moc średnią, a wtedy temperatura rośnie z cyklu na cykl. Rezystor może być poprawny dla pojedynczego hamowania, ale za słaby dla rytmu pracy konkretnej maszyny.
Grzanie nie jest samo w sobie awarią. Rezystor działa właśnie przez zamianę energii w ciepło. Problem zaczyna się wtedy, gdy nie ma miejsca na odprowadzenie temperatury, rezystor jest zamontowany zbyt blisko wrażliwych elementów, pracuje w zapyleniu albo cykl hamowania jest cięższy niż założono przy doborze.
Dobór parametrów a mechanika – gdzie szukać błędu?
Jeżeli układ hamowania nie działa stabilnie, nie warto od razu zakładać, że winny jest sam rezystor. W praktyce trzeba sprawdzić zarówno parametry falownika, jak i energię po stronie maszyny.
Parametry falownika
Falownik może mieć zbyt krótką rampę hamowania, niewłaściwy tryb hamowania, nieaktywny chopper, błędnie ustawione limity albo funkcję hamowania inną niż użytkownik zakłada. Jeśli czas hamowania jest bardzo agresywny, energia wróci do szyny DC szybko, a układ może nie zdążyć jej rozproszyć.
DC injection braking to nie to samo
Trzeba rozróżnić hamowanie dynamiczne przez rezystor od hamowania prądem stałym. DC injection braking może pomóc dociążyć albo zatrzymać silnik w pewnych warunkach, ale nie jest tym samym co odbieranie energii regeneracyjnej przez rezystor hamujący. Jeżeli problemem jest wzrost napięcia DC podczas wytracania energii z dużej bezwładności, samo włączenie innego trybu hamowania nie zmienia fizyki układu.
Dane silnika i moment napędu
Moc, prąd, napięcie, częstotliwość i obroty z tabliczki znamionowej silnika powinny zgadzać się z parametrami wpisanymi do falownika. Po stronie mechanicznej liczy się bezwładność, przełożenie, masa, prędkość i czas zatrzymania. W takich analizach pomocny jest moment obrotowy napędu, ale sam moment też nie wystarczy, jeśli nie uwzględnisz energii całego układu.
Aplikacje pionowe i napędy regeneracyjne
Najtrudniejsze są aplikacje pionowe i dźwignicowe. Przy opuszczaniu ciężaru napęd może oddawać energię przez cały fragment ruchu w dół, a nie tylko przez krótką chwilę zatrzymania. Wtedy rezystor nie rozprasza jednego impulsu energii, tylko pracuje w powtarzalnym albo prawie ciągłym trybie obciążenia cieplnego.
Jeżeli rezystor stale dochodzi do granicy temperatury, falownik zgłasza błędy mimo poprawnej rezystancji, a cykl maszyny wymaga częstego lub długiego hamowania, problem może leżeć w architekturze napędu. W ciężkich aplikacjach samo dokładanie większego rezystora bywa półśrodkiem. Czasem trzeba zmienić parametry ruchu, zastosować inny układ hamowania, przewidzieć hamulec mechaniczny albo rozważyć napęd regeneracyjny, który oddaje energię z powrotem do sieci zamiast zamieniać ją w ciepło.
