Тормозные резисторы: что это такое и где применяются

При быстром замедлении электродвигателя энергия вращающегося механизма не исчезает мгновенно. Двигатель переходит в генераторный режим и возвращает электрическую энергию в звено постоянного тока преобразователя.

Напряжение в звене постоянного тока начинает расти. Если эту энергию не отвести, частотный преобразователь или сервопривод отключится по перенапряжению, а при неисправности защиты могут быть повреждены силовые компоненты.

Тормозной резистор преобразует избыточную электрическую энергию в тепло. Он позволяет быстрее останавливать двигатель, сокращать время рабочего цикла и предотвращать недопустимое повышение напряжения в преобразователе.

Что такое тормозной резистор

Тормозной резистор — силовой резистивный элемент, рассчитанный на поглощение энергии, возникающей при генераторном торможении электропривода.

В зависимости от мощности и исполнения он может представлять собой:

проволочный резистор;
ленточный резистивный элемент;
резистор в алюминиевом корпусе;
керамический резистор;
блок из нескольких элементов;
решетчатый резисторный шкаф;
устройство с естественным или принудительным охлаждением.

От обычного маломощного резистора тормозная модель отличается способностью выдерживать:

большую импульсную мощность;
значительную энергию одного торможения;
многократные циклы нагрева;
высокую рабочую температуру;
напряжение звена постоянного тока;
механические и климатические воздействия.

Как возникает генераторный режим

В двигательном режиме преобразователь передает энергию от сети к электродвигателю и механизму.

При замедлении ситуация меняется. Инерция продолжает вращать ротор, а двигатель начинает работать как генератор. Это происходит, когда фактическая скорость ротора оказывается выше скорости вращения магнитного поля, задаваемой приводом.

Генераторный режим также возникает:

при опускании подвешенного груза;
при движении механизма под действием силы тяжести;
при торможении быстро вращающейся массы;
при резком уменьшении заданной скорости;
при перемещении вертикальной оси вниз;
при внешнем воздействии, раскручивающем двигатель.

Вырабатываемая энергия поступает обратно в преобразователь и заряжает конденсаторы звена постоянного тока.

Как работает тормозной резистор

Типичная система резистивного торможения включает:

Электродвигатель.
Частотный преобразователь или сервопривод.
Звено постоянного тока.
Тормозной прерыватель.
Тормозной резистор.
Систему контроля температуры.

Тормозной прерыватель также называют тормозным ключом, модулем или чоппером.

Когда напряжение звена постоянного тока превышает установленный порог, прерыватель подключает резистор. Через него начинает протекать ток, а электрическая энергия преобразуется в тепло:

P_рез = U_DC²/R

где:

Pрез — мгновенная мощность на подключённом резисторе, Вт;
UDC — напряжение звена постоянного тока, В;
R — сопротивление тормозного резистора, Ом.

Когда напряжение снижается до допустимого уровня, тормозной ключ отключает резистор. Во время торможения переключение многократно повторяется, поэтому средняя мощность за интервал торможения зависит от коэффициента заполнения импульсов.

Зачем нужен тормозной прерыватель

Тормозной резистор нельзя подключать непосредственно к звену постоянного тока без управляемого ключа. В таком случае он постоянно потреблял бы энергию и создавал недопустимую нагрузку.

Прерыватель выполняет две основные функции:

контролирует напряжение звена постоянного тока;
подключает резистор только при необходимости отвода энергии.

Тормозной прерыватель может быть:

встроен в частотный преобразователь;
установлен как дополнительный внутренний модуль;
выполнен в виде отдельного внешнего устройства.

Наличие клемм звена постоянного тока не означает, что в преобразователе есть встроенный тормозной ключ. Перед подключением необходимо изучить электрическую схему и руководство изготовителя.

Где применяются тормозные резисторы

Тормозной резистор требуется там, где двигатель должен быстро или регулярно замедлять механизм либо удерживать напряжение звена постоянного тока при действии внешней силы.

Подъемно-транспортное оборудование

Резистивное торможение применяется в:

кранах;
лебедках;
подъемниках;
складских штабелерах;
мостовых и козловых кранах;
вертикальных конвейерах;
подъемных столах.

При опускании груза потенциальная энергия превращается в электрическую. Тормозной резистор поглощает ее и помогает контролировать скорость.

Механический тормоз при этом не становится ненужным. Он обеспечивает удержание и аварийную остановку, а электрическое торможение управляет движением и уменьшает износ механических узлов.

Станки и обрабатывающие центры

Тормозные резисторы устанавливают в приводах:

шпинделей;
токарных станков;
фрезерных центров;
шлифовального оборудования;
пил;
намоточных машин;
позиционирующих осей.

Быстрая остановка шпинделя сокращает продолжительность рабочего цикла и повышает производительность оборудования.

Центрифуги и механизмы с большой инерцией

Вентилятор, маховик, барабан или центрифуга может долго вращаться после отключения питания. Если требуется быстрая остановка, преобразователю необходимо отвести значительную кинетическую энергию.

Тормозные резисторы применяются в:

центрифугах;
промышленных вентиляторах;
дымососах;
дробилках;
мельницах;
сепараторах;
испытательных стендах;
приводах с маховиками.

Для таких механизмов особенно важна энергия одного продолжительного торможения.

Конвейеры

Тормозной резистор может потребоваться, если:

конвейер часто запускается и останавливается;
лента движется под уклон;
перемещается тяжелый груз;
необходимо выдерживать короткое время остановки;
внешняя нагрузка подталкивает привод.

В обычном горизонтальном конвейере с медленным торможением потребность в резисторе может отсутствовать.

Сервооборудование и робототехника

В сервоприводах циклы разгона и торможения повторяются часто. Резистор поглощает энергию при замедлении осей:

промышленных роботов;
манипуляторов;
упаковочных машин;
портальных систем;
станков с ЧПУ;
автоматических линий;
систем позиционирования.

Для таких установок важны не только пиковая мощность, но и средняя мощность при высокой частоте циклов.

Испытательные стенды

Тормозные резисторы применяются в стендах для проверки:

электродвигателей;
генераторов;
трансмиссий;
приводных систем;
насосного и компрессорного оборудования;
автомобильных компонентов.

Резистор может использоваться как часть регулируемой электрической нагрузки или системы динамического торможения.

Когда тормозной резистор не требуется

Во многих приводах энергия естественным образом расходуется на трение, вентиляционные потери и механическую нагрузку. Если время замедления достаточно велико, напряжение звена постоянного тока не достигает порога срабатывания защиты.

Резистор может не потребоваться, если:

остановка происходит редко;
допускается длительное время торможения;
механизм имеет небольшую инерцию;
отсутствует внешняя движущая сила;
привод способен возвращать энергию в сеть;
используется общая шина постоянного тока, энергия которой потребляется другими приводами.

Окончательное решение принимают по расчету и результатам испытаний.

Отличие от рекуперативного торможения

При резистивном торможении энергия превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду.

При рекуперативном торможении преобразователь возвращает энергию:

в питающую сеть;
в аккумулятор;
в накопитель;
в общую шину постоянного тока.

Рекуперативная система эффективнее при частом и продолжительном торможении, но требует соответствующего преобразователя и обычно стоит дороже.

Тормозной резистор отличается:

простотой;
быстрым откликом;
сравнительно невысокой стоимостью;
отсутствием необходимости возвращать энергию в сеть.

Его недостатки — выделение тепла и потеря энергии.

В некоторых системах применяются оба способа: основная энергия рекуперируется, а резистор используется при пиковых режимах или как защитный элемент.

Отличие от торможения постоянным током

При торможении постоянным током преобразователь подает постоянный ток в обмотки двигателя, создавая неподвижное магнитное поле. Кинетическая энергия рассеивается преимущественно в двигателе.

Тормозной резистор работает иначе: энергия возвращается в звено постоянного тока, а затем рассеивается во внешнем резистивном элементе.

Торможение постоянным током:

эффективно преимущественно на невысокой скорости;
нагревает двигатель;
не требует внешнего тормозного резистора;
обычно не обеспечивает такого же контролируемого торможения во всем диапазоне скоростей.

Эти методы могут дополнять друг друга, но не являются взаимозаменяемыми.

Основные характеристики тормозного резистора

При выборе учитывают:

сопротивление;
минимально допустимое сопротивление для преобразователя;
максимальную импульсную мощность;
длительную мощность;
энергию одного торможения;
продолжительность импульса;
период повторения;
коэффициент использования;
рабочее напряжение;
температурный коэффициент;
допустимую температуру;
способ охлаждения;
степень защиты;
наличие термоконтакта;
тип монтажа.

Как выбрать сопротивление

Сопротивление определяет ток торможения:

I_торм = U_DC/R

При уменьшении сопротивления ток и мгновенная тормозная мощность увеличиваются:

P_рез = U_DC²/R

Однако тормозной ключ имеет ограничение по току. Поэтому производитель преобразователя устанавливает минимально допустимое сопротивление:

R ≥ R_min

Подключать резистор с сопротивлением ниже Rmin нельзя. Чрезмерный ток может повредить тормозной транзистор, шину постоянного тока или защитные устройства.

Слишком большое сопротивление также нежелательно. Ток окажется недостаточным для отвода требуемой энергии, напряжение звена продолжит расти, и преобразователь отключится по перенапряжению.

Рекомендуемый диапазон сопротивлений необходимо брать из руководства конкретного привода.

Пример расчета тока и мощности

Предположим:

напряжение звена при включённом тормозном ключе — 700 В;
сопротивление резистора — 50 Ом.

Ток при полностью включенном ключе:

I_торм = 700/50 = 14 А

Мгновенная мощность:

P_рез = 700²/50 = 9800 Вт = 9,8 кВт

Это не означает, что обязательно потребуется резистор с длительной мощностью 9,8 кВт. Если торможение кратковременное, резистор может выдерживать такую мощность в импульсе.

При этом его импульсная способность должна быть подтверждена документацией производителя.

Расчет энергии торможения

Для вращающегося механизма изменение кинетической энергии можно оценить так:

E_кин = J(ω₁² − ω₂²)/2

где:

Eкин — высвобождаемая кинетическая энергия, Дж;
J — приведённый к валу момент инерции, кг·м²;
ω₁ — начальная угловая скорость, рад/с;
ω₂ — конечная угловая скорость, рад/с.

Угловая скорость связана с частотой вращения:

ω = 2πn/60

где n выражено в оборотах в минуту.

Если механизм полностью останавливается:

E_кин = Jω₁²/2

Часть энергии теряется в двигателе, преобразователе и механизме. Энергию, поступающую в тормозной резистор, определяют с учетом КПД и рекомендаций производителя привода.

Энергия при опускании груза

Изменение потенциальной энергии груза:

E_пот = mgh

где:

m — масса груза, кг;
g — ускорение свободного падения, приблизительно 9,81 м/с²;
h — высота опускания, м.

Например, при опускании груза массой 500 кг на 10 м:

E_пот = 500 · 9,81 · 10 = 49 050 Дж ≈ 49 кДж

Не вся эта энергия обязательно поступит в резистор, но расчет показывает порядок величины.

Для подъемного механизма необходимо также учитывать противовесы, трение, КПД передачи и направление движения.

Средняя мощность за время торможения

Если за одно торможение необходимо рассеять энергию Eторм за время tторм, средняя мощность во время торможения равна:

P_{торм, ср} = E_торм/t_торм

Например, если энергия составляет 60 кДж, а остановка длится 10 с:

P_{торм, ср} = 60 000/10 = 6000 Вт = 6 кВт

Резистор должен выдерживать эту мощность в течение 10 секунд.

Мощность при повторяющихся циклах

Если торможение повторяется с периодом Tцикл, среднюю тепловую мощность можно предварительно оценить так:

P_цикл = E_торм/T_цикл

Например, если энергия одного торможения равна 60 кДж, а цикл повторяется каждые 120 с:

P_цикл = 60 000/120 = 500 Вт

Следовательно, средняя выделяемая мощность составляет 500 Вт. Но резистор одновременно должен выдерживать импульс 6 кВт продолжительностью 10 секунд.

Проверять необходимо оба параметра:

мощность и энергию одного импульса;
среднюю мощность повторяющегося цикла.

Коэффициент использования

При одинаковой мощности и прямоугольных циклах коэффициент использования можно представить как:

D = t_торм/T_цикл

Средняя мощность:

P_ср = P_тормD

Если торможение длится 10 секунд и повторяется раз в 100 секунд:

D = 10/100 = 0,1 = 10%

Фактическая тормозная мощность обычно изменяется во времени, поэтому точный расчет выполняют по энергетической диаграмме привода.

Длительная и импульсная мощность

В документации тормозного резистора могут указываться:

длительная мощность;
пиковая мощность;
допустимая энергия импульса;
длительность импульса;
период охлаждения;
коэффициент использования;
тепловая постоянная времени.

Нельзя выбирать резистор только по длительной мощности.

Модель на 1 кВт может выдерживать кратковременный импульс значительно большей мощности, но только при соблюдении ограничений по времени и энергии. И наоборот, резистор с высокой кратковременной мощностью может перегреться при частых повторениях.

Рабочее напряжение

Тормозной резистор подключается к высоковольтному звену постоянного тока. Его электрическая прочность должна соответствовать:

напряжению включения тормозного ключа;
возможным перенапряжениям;
импульсной форме напряжения;
категории оборудования;
изоляции относительно корпуса;
расстояниям утечки и воздушным зазорам.

Необходимо различать:

напряжение на резистивном элементе;
испытательное напряжение изоляции;
напряжение между элементом и корпусом;
импульсную электрическую прочность.

Температура тормозного резистора

Во время работы корпус резистора может нагреваться до очень высокой температуры. Нормальный нагрев не всегда означает неисправность, но требует правильного монтажа.

Резистор устанавливают:

вдали от горючих материалов;
с предусмотренными изготовителем зазорами;
в месте со свободной циркуляцией воздуха;
вне зоны случайного прикосновения;
вдали от чувствительной электроники;
с учетом направления горячего воздушного потока.

Закрывать вентиляционные отверстия или помещать мощный резистор в герметичный небольшой шкаф без теплового расчета нельзя.

Естественное и принудительное охлаждение

Небольшие резисторы могут использовать естественную конвекцию. Мощные блоки требуют:

вентилятора;
подключения к металлической панели;
отдельного вентиляционного канала;
жидкостного охлаждения.

Паспортная мощность часто обеспечивается только при определенном положении, температуре воздуха и скорости потока.

При отказе принудительного охлаждения допустимая мощность резко уменьшается. Система должна обнаруживать отказ вентилятора или превышение температуры.

Термозащита

Желательно выбирать тормозной резистор со встроенным термовыключателем или температурным датчиком.

Сигнал перегрева может использоваться для:

аварийной остановки;
отключения главного контактора;
запрета следующего запуска;
выдачи предупреждения;
включения дополнительного охлаждения.

Одной программной тепловой модели привода может быть недостаточно при:

отказе тормозного ключа;
неправильных параметрах;
заблокированном вентиляторе;
ухудшении теплоотвода;
коротком замыкании;
внешнем нагреве.

Схема защиты должна соответствовать руководству производителя преобразователя.

Подключение тормозного резистора

Резистор подключается к специально обозначенным тормозным клеммам преобразователя или внешнего прерывателя.

Обозначения различаются, например:

BR;
B1/B2;
P/BR;
DC+/BR;
R+/R−.

Ориентироваться только на похожее название клемм нельзя. Неправильное подключение к шине DC или выходу двигателя может привести к повреждению оборудования.

Перед монтажом необходимо:

Отключить все источники питания.
Заблокировать возможность повторного включения.
Выдержать время разряда конденсаторов.
Проверить отсутствие напряжения измерительным прибором.
Сверить схему подключения.
Проверить сопротивление резистора.
Подключить защитное заземление корпуса.
Подключить термоконтакт.
Настроить параметры торможения.
Провести испытание с постепенным увеличением нагрузки.

Работы в высоковольтной силовой части должны выполнять квалифицированные специалисты.

Требования к кабелю

Ток в тормозной цепи имеет импульсный характер и быстро изменяется. Неправильная прокладка кабеля может увеличить электромагнитные помехи и перенапряжение на тормозном ключе.

Рекомендуется:

использовать тип кабеля, указанный производителем;
соблюдать требуемое сечение;
делать кабель как можно короче;
не превышать допустимую длину;
прокладывать его отдельно от сигнальных линий;
применять экранирование при необходимости;
правильно заземлять экран;
избегать длинных параллельных участков с другими кабелями.

Произвольно увеличивать расстояние между преобразователем и резистором нельзя. Индуктивность длинного кабеля создает дополнительные выбросы напряжения.

Последовательное и параллельное соединение

Несколько резисторов можно объединять для получения нужного сопротивления и увеличения энергетической способности.

При последовательном соединении:

R_Σ = R₁ + R₂ + … + R_n

При параллельном соединении одинаковых резисторов:

R_Σ = R/n

При смешанном соединении необходимо проверить:

общее сопротивление;
распределение мощности;
допустимое напряжение каждого элемента;
симметрию нагрева;
отказ одного резистора;
работу термозащиты.

Нельзя просто подключить второй такой же резистор параллельно: суммарное сопротивление уменьшится вдвое и может оказаться ниже допустимого для тормозного ключа.

Признаки неправильно выбранного резистора

На ошибку выбора или настройки могут указывать:

отключение привода по перенапряжению при торможении;
перегрев резистора;
частое срабатывание термозащиты;
слишком медленная остановка;
перегрев тормозного ключа;
авария по перегрузке тормозной цепи;
повреждение или потемнение резистивного элемента;
запах перегретой изоляции;
чрезмерный нагрев шкафа;
нестабильность работы при частых циклах.

Авария по перенапряжению не всегда означает, что требуется меньшее сопротивление. Причиной также могут быть отключенный тормозной модуль, неправильная схема, слишком короткое время торможения или недостаточная энергия резистора.

Типичные ошибки

При выборе и эксплуатации тормозных резисторов чаще всего допускают следующие ошибки:

Выбирают резистор только по мощности двигателя.
Не рассчитывают энергию механизма.
Не учитывают время торможения.
Игнорируют частоту повторения циклов.
Подключают сопротивление ниже допустимого.
Выбирают слишком большое сопротивление.
Проверяют только среднюю мощность.
Не учитывают импульсную энергию.
Не проверяют рабочее напряжение.
Подключают резистор без тормозного прерывателя.
Путают клеммы торможения и звена постоянного тока.
Используют слишком длинный кабель.
Устанавливают резистор рядом с горючими материалами.
Не предусматривают термозащиту.
Закрывают вентиляционные отверстия.
Не подключают защитное заземление корпуса.
Считают тормозной резистор заменой механическому тормозу.
Самостоятельно изменяют схему без проверки руководства привода.

Заключение

Тормозной резистор поглощает энергию, возвращаемую электродвигателем при замедлении, и преобразует ее в тепло. Он предотвращает чрезмерный рост напряжения звена постоянного тока и позволяет сократить время остановки механизма.

Такие резисторы применяются в подъемниках, кранах, станках, конвейерах, центрифугах, сервоприводах, роботах и других установках с быстрым или частым торможением.

Для правильного выбора необходимо определить:

допустимый диапазон сопротивления;
напряжение звена постоянного тока;
максимальную тормозную мощность;
энергию одного торможения;
продолжительность торможения;
период повторения;
среднюю тепловую мощность;
рабочее напряжение;
условия охлаждения;
способ монтажа;
требования к термозащите.

Сопротивление не должно быть ниже минимального значения, установленного производителем преобразователя. Импульсную и среднюю мощность необходимо проверять отдельно.

Специалисты ЭРКОН помогут подобрать тормозной резистор для частотного преобразователя или сервопривода. Для подбора желательно указать модель преобразователя, мощность и параметры двигателя, напряжение питания, момент инерции механизма, время торможения, продолжительность цикла, условия монтажа и охлаждения.