Principiul de functionare

Cand un motor este conectat la o sursa alternativa de tensiune de 50 Hz si se roteste cu o viteza mai mare decat viteza sa sincrona, va livra energie catre sursa. Un exemplu ar fi o banda care transporta incarcatura la vale. Acest principiu permite motorului sa lucreze in regim de generator. Energia generata este direct proportionala cu alunecarea (diferenta relativa intre turatia campului statoric si turatia rotorului), la fel cum cuplul motorului este direct proportional cu alunecarea. In esenta, daca rotorul se invarte mai repede decat campul magnetic invartitor, motorul devine generator. Daca motorul se invarte mai incet decat campul magnetic invartitor, motorul se comporta ca un motor.

Folosind acest principiu, un motor conectat la un convertizor poate fi folosit pentru a incetini rapid sau a opri o sarcina. Daca, de exemplu, frecventa pe iesirea convertizorului este 45 Hz (motorul de 1500 rpm se invarte la 1350 rpm) motorul poate fi incetinit prin reducerea lenta a frecventei de iesire. In momentul reducerii frecventei, rotorul se invarte mai repede decat campul magnetic invartitor si de aceea devine generator.
Cand un motor franeaza (decelereaza), energia motorului este livrata convertizorului, nivelul tensiunii etajului c.c. va creste pana la nivelul de declansare, convertizorul nu va mai functiona, iar sarcina se va opri liber. In aplicatii cu inertie mare aceasta ar putea insemna un timp foarte lung pana la oprirea sarcinii.
Daca un al saptelea IGBT se adauga la etajul c.c. si se conecteaza un rezistor extern pentru franare dinamica la acel tranzistor, energia de franare a motorului poate fi disipata foarte eficient.

Rezistoarele de franare (rezistente, dupa denumirea mai raspandita, desi aceasta se refera la marimea fizica), pot fi achizitionate pentru diferite regimuri de functionare. Conform definitiei date de Toshiba, un rezistor pentru regim de functionare de 100% are capacitatea de a disipa 100% din cuplul de franare pentru 50% din timpul in care este conectat la convertizor, daca motorul functioneaza la viteza nominala (de obicei 50 Hz). “Cuplul procentual”, prin urmare “puterea”, adica “puterea disipata” este o functie a raportului de decelerare (cuplu de decelerare sau cuplu negativ de accelerare).
Un exemplu in acest sens ar fi o sarcina de antrenare continua a motorului, cum ar fi o banda care transporta incarcatura la vale, daca sarcina a generat 100% din cuplul nominal la 25 Hz, un rezistor cu regim de functionare de 100% va fi suficient de mare. Logica este ca un motor de 1 kW furnizand cuplul nominal la 50% din viteza dezvolta 50% din putere deoarece puterea este direct proportionala cu viteza de rotatie (P=M x Ω). Daca viteza va fi la jumatate si puterea va fi la jumatate.
Acelasi rezistor cu regim 100% are capacitatea de a disipa 200% din cuplul de franare, cand frecventa acestuia este scazuta liniar in rampa de la 50 Hz la 0 Hz, pentru 50% din timpul cat este conectat la convertizor. Viteza medie a ciclului de franare este 25 Hz. Aceasta inseamna ca puterea medie in timpul franarii va fi 100%. Din nou, P=M x Ω, daca cuplul M=200% si turatia medie Ω = 50%, puterea medie va fi P=100%.
Trebuie sa tinem cont ca un raport linear de decelerare nu va furniza un curent constant dinspre motor spre convertizor, nici convertizorul nu va regla curentul la o valoare constanta cum ar fi 100% sau 150% etc.
Daca franarea se face de la 60 Hz la 0 Hz sau de la 70 Hz la 10 Hz calculele devin mult mai complexe si vor trebui luate in consideratie inertia, incarcarea, rata de decelerare, etc.. In general, convertizorul va incerca decelerarea conform timpului setat rezultand un curent de decelerare corespunzator. Aceasta ar face calculele foarte dificile din moment ce incalzirea variaza cu patratul curentului (I2 x R).

Toshiba a creat un sistem automat de calculare a timpului de accelerare/decelerare care calculeaza timpul de declansare bazat pe marimea rezistorului, nivelul vitezei de decelerare, inertie si ciclul de functionare pentru a estima mai bine  timpii de accelerare si decelerare. Calculatorul considera ca curentul va fi constant la 150% din valoarea obtinuta din calcularea timpului de decelerare. Daca timpul de decelerare are o valoare crescuta, curentul nu va mai fi 150% iar incalzirea va fi redusa. Mai departe, daca timpul de decelerare este foarte mare datorita inertiei ridicate sau a supraincarcarii utilajului altgoritmul de protectie a convertizorului ar putea produce o declansare pentru a proteja rezistorul. Cu alte cuvinte un rezistor pentru un ciclu de 50% nu poate frana la 50 Hz, pentru o ora, un motor care actioneaza o banda care transporta incarcatura la vale. Este clar un timp de declansare asociat cu franare 100% la 50 Hz pentru un rezistore cu serviciu de 100%.

Consideratii referitoare la nivelul tensiunii

Din punct de vedere al proiectarii, este important sa se cunoasca la care nivel convertizorul activeaza franarea dinamica si care va fi nivelul la care va declansa. Daca nivelul de declansare al tensiunii continue este setat prea jos, vor aparea declansari la supratensiune nedorite. Pentru a putea oferi un convertizor de 400 V sigur in functionare, nivelul de declansare la supratensiune in c.c. trebuie sa fie peste 620 V din urmatoarele motive.

  • Tensiunea etajului c.c. este aproximativ egala cu radical din dublul patratului tensiunii alternative de alimentare. Daca tensiunea de alimentare este 400 V, tensiunea etajului c.c. devine 566 V. Daca tensiunea de alimentare creste cu 10% peste cea nominala, adica 440 V, tensiunea continua devine 622 V.
  • Daca apar fenomene tranzitorii pe linia de alimentare, tensiunea de alimentare creste corespunzator.
  • Cand convertizorul scade frecventa sarcinii, motorul se comporta ca un generator si transfera energie inapoi convertizorului crescand apoi nivelul tensiunii continue.

Pentru a oferi o franare fara probleme, si de inalta performanta, trebuie sa existe un spatiu intre tensiunea de deschidere a tranzistorului de franare si nivelul tensiunii de declansare a etajului c.c.. Daca tensiunea de deschidere a tranzistorului este setata sub 622 V, convertizorul va incerca sa regleze tensiunea sistemului de fiecare data cand tensiunea va depasi 400 V + 10% = 440 V. Aceasta va genera declansari deranjante sau defectarea ori a tranzistorului de franare ori a rezistorului de franare.

Franare dinamica Toshiba

Toshiba VFS15, VFMB1 si VFAS3 (optional pentru anumite modele) au circuitul de franare inclus. Tranzistorul IGBT7 (pentru franare dinamica) al convertizoarelor Toshiba, este controlat direct de microprocesor.
De obicei, circuitul de franare este oferit ca modul optional care este in principiu un regulator de tensiune continua. Asta inseamna ca atunci cand tensiunea continua depaseste un nivel prestablit, tranzistorul se deschide si disipa energia pe rezistorul de franare conectat la exterior. Circuitele de franare dinamica conventionale au nevoie de un releu de suprasarcina pentru protejarea rezistorului de franare dar si de un contactor de intrare pentru a taia alimentarea convertizorului in eventualitatea in care un nivel crescut al tensiunii de alimentare produce functionarea continua a circuitului de franare. Nivelul ridicat al tensiunii de alimentare poate sa apara, de exemplu, in timpul opririi unei mori, cand moara este in esenta neincarcata, si transformatorul principal de alimentare nu are un comutator de ploturi automat, sau acesta este nefunctional.

Convertizoarele Toshiba (cand motorul este oprit) nu vor deschide tranzistorul IGBT7, chiar daca nivelul tensiunii de alimentare va creste suficient de mult pentru a determina cresterea tensiunii continue peste tensiunea de deschidere a tranzistorului IGBT7.

In plus, microprocesorul protejeaza direct rezistorul de franare extern. Aceasta elimina nevoia instalarii unui contactor pe intrarea convertizoarelor cu circuit de franare, fapt care creste stabilitatea sistemului pentru ca dispar problemele legate de deconectarea convertizorului de catre contactor in timpul golurilor de putere.

Formula de baza pentru estimarea timpilor de accelerare si decelerare in sistemele motor/convertizor include urmatoarele:

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 inertiei motorului (kg x mp)

JL : Momentul inertiei sarcinii (kg x mp) (valoare calculata la axul motorului)

ΔN : Diferenta dintre viteza de rotatie dinainte si cea de dupa accelerare sau decelerare (1/min.)

TL : Cuplul sarcinii (N x m)

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

TB : Cuplul nominal al motorului x 0,2 (N x m)
: Cuplul nominal al motorului x (0,8 pana la 1) (N x m), cand este folosita o rezistenta de franare.

Selectarea rezistorului de franare

Se utilizeaza pentru decelerare rapida, opriri frecvente prin decelerare sau pentru scurtarea timpului de decelerare la sarcini cu inertie ridicata. Rezistorul consuma energia regenerativa in timpul operatiei de franare dinamica. Acesta trebuie sa fie compatibil cu circuitul de franare al convertizorului la care se va conecta (sa aiba rezistenta mai mare decat valoarea minima a modelului respectiv).

In general rezistoarele se utilizeaza in urmatoarele situatii:

  • Sarcini care creaza un regim regenerator continuu cum ar fi lifturile si macaralele, derularea tensionata a rulourilor sau bobinelor, banda ce transporta incarcatura la vale, etc.
  • Regim regenerator indus de fluctuatii ale sarcinii in timpul functionarii constante a unei prese
  • Oprire in rampa (prin decelerare) la masinile cu inertie ridicata
  • Opriri frecvente prin decelerare (in rampa)
  • Cand este necesara oprire abrupta
  • Cand apare semnalul de supratensiune „OP” la decelerare

Valoarea rezistentei trebuie sa fie mai mare decat valoarea rezistentei minime permise (valoarea rezultanta a rezistentei). Aceste valori sunt date in manualele convertizoarelor. Pentru VFAS3 valorile minime ale rezistentelor de franare sunt date in tabelul de mai jos (cap. 6.15.4 din manual).

Pe langa valoarea rezistentei, trebuie sa alegem si puterea rezistorului, care arata cata energie poate disipa. In general avem doua tipuri de rezistoare, unul pentru franare usoara si celalalt pentru franare grea.

Deci puterea se alege in functie de regimul de utilizare (cata energie disipa si pentru cat timp) si puterea convertizorului, iar rezistenta depinde de valoarea admisibila a circuitului de franare aferent convertizorului.

Modul de conectare la convertizor (VFAS3)

Rezistoarele de franare le gasiti in categoria „Franare” pe www.shop.braistore.ro si le puteti alege conform recomandarilor din pagina convertizorului sau a rezistorului.

Calcularea rezistentelor de franare

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *