Tìm hiểu điện trở xả trong biến tần
Các ứng dụng cần thời gian tăng giảm tốc nhanh, quán tính tải lớn, chúng ta sẽ phải lắp thêm điện trở xả.
Chúng ta sẽ tìm hiểu một cách tổng quát như sau:
- Về cấu tạo của động cơ điện, loại vẫn hay sử dụng là động cơ 3 pha không đồng bộ. Trong động cơ sẽ có các cuộn dây, khi cấp điện, cuộn dây sẽ sinh ra từ trường. Với dòng điện xoay chiều biến đổi liên tục sẽ sinh ra từ trường làm quay động cơ.
- Khi tốc độ động cơ thay đổi đột ngột, đảo chiều hay vận hành không tải sinh ra hiện tượng động cơ được xem như một máy phát điện đưa điện ngược trở lại. Cách thức đưa điện áp ngược sẽ theo nguyên lý cấu tạo của IGBT:
( Click để xem hình lớn )
Ngõ vào điện áp là R - S - T
Ngõ ra động cơ là U - V - W
Điện áp DC Bus là P và P1 - N và N1
Nhìn vào cấu tạo trên, nếu U-V-W có điện áp xoay chiều, mạch bảo vệ IGBT bằng Diode chống dòng ngược sẽ trở thành mạch chỉnh lưu đưa ngược điện áp DC về DC Bus khiến điện áp DC tích luỹ + với điện áp DC từ phần chỉnh lưu ngõ vào R - S - T ở P - N ( P sẽ nối với P1, N sẽ nối với N1 trong mạch điện ), khiến điện áp DC Bus tăng dần lên. Đến mức bảo vệ của biến tần, biến tần sẽ báo lỗi quá áp. Nếu điện áp này tăng nhanh đột ngột và vượt xa ngưỡng bảo vệ của biến tần, phần công suất của biến tần sẽ hư hỏng.
Vậy làm sao để giảm điện áp DC - Bus ?
- Nhìn vào cấu tạo của IGBT ở trên, chúng ta thấy rõ có tích hợp sẵn phần Brake - Hãm. Phần này sẽ làm nhiệm vụ giảm điện áp DC - Bus.
Nguyên tắc của việc này là nếu điện áp DC - Bus vượt qua mức bảo vệ của biến tần, mạch điều khiển sẽ kích mở chân số 16 linh kiện bán dẫn, chân B sẽ được nối qua N1. Và khi đó, điện trở xả đã được nối sẵn tại chân B và chân P1. Điện áp DC Bus được đưa vào đốt qua điện trở xả làm sụt giảm điện áp dư thừa của DC Bus.
Nhưng để đảm bảo việc xả điện áp thừa là đúng mức độ theo tính toán, mạch điều khiển sẽ phát ra một chuỗi xung kích mở linh kiện bán dẫn, quá trình xả sẽ là gián đoạn và đảm bảo mức điện áp DC Bus được đưa về mức ản toàn, đồng thời đảm bảo dòng xả phù hợp với công suất điện trở xả theo quy định tại tài liệu sử dụng biến tần.
Hình ảnh mô tả biến tần tích hợp bộ hãm:
( Click để xem hình lớn )
Chú ý: Các mô tả trên là dành cho phần Brake tích hợp trên biến tần. Nếu sử dụng bộ hãm ngoài, nguyên lý sẽ tương tự nhưng phần lựa chọn điện áp bảo vệ sẽ là của bộ hãm và phần kết nối sẽ lấy điện áp DC Bus. Các điều khiển khác độc lập hoàn toàn.
Hình ảnh mô tả biến tần với bộ hãm ngoài:
( Click để xem hình lớn )
Chi phí (giá trị bằng tiền) cho phần điện trở xả
- Giá của điện trở xả cũng có nhiều mức. Các loại trên thị trường sẽ có như : loại dây cuốn do Việt Nam tự làm, loại dây cuốn được phủ xanh do Trung Quốc làm, loại điện trở có vỏ nhôm để tản nhiệt. Giá rẻ nhất là loại dây cuốn. So với chi phí đầu tư biến tần thì chi phí lắp thêm điện trở xả sẽ tăng lên không nhiều. Nhưng lợi thế sẽ dành cho các dòng biến tần có tích hợp Braking Unit như trên hình IGBT phía trên. Với các dòng không tích hợp sẵn, chúng ta có thể lựa chọn mua thêm bộ hãm ngoài, khi đó chi phí cũng sẽ phải quan tâm. Nhưng thường thì các loại công suất lớn mới phải dùng thêm Braking Unit hỗ trợ ngoài. Các loại nhỏ nên mua loại đã tích hợp sẵn để tiết kiệm chi phí.
- Với các biến tần công suất lớn, bộ hãm có thể được sử dụng kết nối song song nhiều bộ theo nguyên lý Master - Slave. Khi lượng điện áp DC Bus dư càng nhiều, số lượng bộ hãm được kích hoạt càng tăng.
( Click để xem hình lớn )
Cách tính giá trị điện trở hãm (xả) trong biến tần:
Các bước tính giá trị điện trở xả:
1. Chuyển HP thành kW
KW = HP x 746
Ex. KW = 50HP x 746
KW = 37,300W
2. Tính Peak kW và giá trị điện trở căn cứ vào DC bus
230Vac –350Vdc
460Vac –750Vdc
575Vac –925Vdc
R = (TL)²/PKW
PKW = KW x BT X .8
TL = Turn on level
R = resistance
PKW = Peak Kilowatts
BT = Braking torque (1.5 = 150% braking torque)
.8 = efficiency
Ex. PKW= 37,300W x 1.5 x .8
PKW = 44,760W
R = (750)²/44,760W
R= 12.6ohms
3. Tính toán Duty Cycle.
Duty cycle (DC) = t1/t2 x 100%
t1 = deceleration time in seconds
t2 = total cycle time in seconds
Ex. Duty cycle = 10s/100s x 100%
Duty cycle = .1s x100%
Duty cycle = 10%
Lưu ý:
Trong các công thức sau đây chúng ta sẽ sử dụng giá trị của T1/T2, mà trong ví dụ trên chúng ta
sẽ sử dụng 0,1 là 10% chu kỳ nhiệm vụ.
4. Tính công suất điện trở.
DB resistor wattage = PKW x √(DC) x .5
DB resistor wattage = 44,760W x √ (.1) x .5 (Căn bậc 2 của 0,1)
DB resistor wattage = 7,077WATTS
Các tính toán trên từ ví dụ động cơ 50HP, sử dụng nguồn 460V, mô men xoắn 150% và duty cycle 10% chúng ta tính được các thông số của R là 13 omh, 7,077Watt resistor. Bây giờ chúng ta cần phải tính kích thước các mô-đun phanh, dựa trên cách sử dụng một SDBU.
Kích thước các mô-đun phanh:
1. Tính giá trị peak current.
Peak current = √ (PKW/R)
Ví dụ R 44,760W, 13 ohms
Peak current = √ (44,760/13)
Peak current = 58.67A
2. Tính Continuous current
Continuous current = Peak current x √ (DC)
Continuous current = 58.67A x √ (.1)
Continuous current =18.55A
Ví dụ khác
250HP motor, 460V, 150% BT, 10% duty
KW = 250 x 746
KW = 186,500W
PKW = 186,500 x 1.5 x .8
PKW = 223,800W
R = 750²/223,800
R = 2.5W
(Minimum resistance per TN: TN_VFD_BRK001 is 5 ohms. So we would use qty 2 –5W
Resistors).
DB Resistor wattage = 223,800W x √ (.1) x .5
DB Resistor wattage = 35,386W
Do chúng ta sử dụng 2 điện trở DB nên công suất được chia cho cả 2.
35,386/2 = 17,693W mỗi trở.
Để xác định kích thước của SDBU chúng ta cần, chúng ta có thể tính toán đỉnh và liên tục
hiện hành.
Peak current = √ (223,800/2.5)
Peak current = 299A
Continuous current = 299 x Ö(.1)
Continuous current = 94.5A
Với 2 đơn vị, chúng ta chia liên tục hiện hành cho 2
94.5/2 = 47A
47A>30A and <80A
Vì vậy, trong kết luận cho 250HP, động cơ 460V với 150% mô-men xoắn phanh và nhiệm vụ 10%
chu kỳ chúng ta sẽ cần phải sử dụng SL 2 SDBU -80 mô-đun và 2-5W, 17.693 W điện trở kết nối song song.
