محاسبه اندازه صحیح مقاومت ترمز (DBR) برای اینورترها و سیستم‌های درایو DC
در سیستم‌های الکتریکی صنعتی که از اینورترها و درایوهای DC برای کنترل موتورهای الکتریکی استفاده می‌شود، مقاومت ترمز (Dynamic Braking Resistor – DBR) نقشی کلیدی در مدیریت انرژی برگشتی دارد. به همین دلیل محاسبه اندازه صحیح مقاومت ترمز بسیار حائز اهمیت است. هنگام کاهش سرعت موتور، تغییر جهت چرخش یا حرکت بارهای اینرسی، انرژی الکتریکی مازاد تولید می‌شود. در صورت عدم مدیریت صحیح، این انرژی می‌تواند به اجزای حساس مانند IGBTها و خازن‌های لینک DC آسیب برساند. در این مقاله از بلاگ الکترومارکت، به‌صورت جامع و مهندسی به محاسبه اندازه صحیح مقاومت ترمز (DBR) پرداخته خواهد شد تا سیستم‌های اینورتر و درایو DC بتوانند بهینه‌ترین عملکرد را داشته باشند.
شاید برایتان سوال باشد که روی چه درایوهایی می‌توان مقاومت ترمز نصب کرد و روی چه درایوهایی نمی‌توان نصب کرد. برای پاسخ به این سوال ویدئو www.aparat.com/v/ual1inn را در آپارات مشاهده نمایید.
۱. نحوه عملکرد یک مقاومت ترمز (DBR) چگونه است؟
عملکرد خازن لینک DC درایو
درایوهای مجهز به اینورتر دارای یک لینک DC هستند که خازن‌های آن می‌توانند مقدار محدودی از انرژی بازگشتی (حدود ۳ تا ۵ درصد) را جذب کنند. در کاربردهای سبک و غیر بحرانی، این جذب انرژی به همراه تلفات مکانیکی سیستم می‌تواند به کاهش سرعت موتور کمک کند. اما در مواقعی که:
- گشتاور ترمز موردنیاز بیش از حد معمول باشد،
- انرژی بازگشتی از حد تحمل خازن‌های لینک DC فراتر رود،
باید از یک مقاومت ترمز برای دفع این انرژی اضافی استفاده شود.
DBR به‌عنوان یک بار مقاومتی در مسیر DC باس قرار می‌گیرد و با جذب و پراکنده‌سازی انرژی الکتریکی به‌صورت گرما، از افزایش بیش‌ازحد ولتاژ درایو جلوگیری می‌کند. میزان انرژی دفع‌شده توسط DBR تأثیر مستقیمی بر سرعت کاهش سرعت موتور دارد؛ هرچه این انرژی سریع‌تر جذب و پراکنده شود، فرآیند ترمز مؤثرتر خواهد بود.
انواع DBR
- مقاومت ترمز داخلی: برای کاربردهایی که قدرت ترمز موردنیاز در حد چند ده یا صد وات است، یک مقاومت توکار در داخل درایو می‌تواند کافی باشد.
- مقاومت ترمز خارجی: در کاربردهای صنعتی با توان‌های بالاتر، گرمای تولیدشده بیشتر بوده و نیاز به یک DBR خارجی با سیستم خنک‌کننده مناسب خواهد بود.
لزوم استفاده از DBR در کاربردهای مختلف
برای سیستم‌هایی که میزان انرژی بازگشتی در آن‌ها کم است (در حد چند ده یا صد وات)، می‌توان از یک مقاومت ترمز داخلی که درون درایو تعبیه شده است، استفاده کرد. اما در کاربردهای صنعتی با توان‌های بالاتر، گرمای تولیدشده بسیار بیشتر خواهد بود. در این موارد، باید از یک DBR خارجی استفاده کرد که مجهز به سیستم خنک‌کننده مناسب باشد تا بتواند این گرما را به‌طور مؤثر دفع کند. یکی از عوامل مهم در عملکرد صحیح این سیستم، محاسبه اندازه صحیح مقاومت ترمز است که باید به‌گونه‌ای انجام شود که علاوه بر جلوگیری از افزایش بیش‌ازحد دما، از آسیب به تجهیزات الکتریکی نیز جلوگیری کند.
کنترل و نظارت بر عملکرد مقاومت ترمز
فعال‌سازی DBR توسط یک واحد کنترل اختصاصی انجام می‌شود که معمولاً شامل یک سنسور ولتاژ برای نظارت بر سطح ولتاژ DC باس است. زمانی که این ولتاژ از حد مجاز تعیین‌شده فراتر رود، سیستم کنترلی، DBR را وارد مدار کرده و اجازه می‌دهد انرژی بازگشتی از طریق مقاومت‌ها به گرما تبدیل شود. علاوه بر این، برخی از DBRها دارای سنسور دما نیز هستند که در صورت افزایش بیش‌ازحد دما، از اضافه‌بار و آسیب به سیستم جلوگیری می‌کنند.
مدیریت انرژی و دفع گرما در DBR
همه انرژی جذب‌شده توسط DBR به گرما تبدیل می‌شود. بخشی از این گرما بلافاصله پس از توقف موتور از طریق رسانش و جابجایی دفع می‌شود و باقی‌مانده نیز با استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده از بین می‌رود. بنابراین، هنگام انتخاب و طراحی یک مقاومت ترمز، باید به چرخه کاری (Duty Cycle) آن توجه ویژه‌ای داشت تا از عملکرد صحیح و ایمن سیستم اطمینان حاصل شود.
به‌طور کلی، استفاده از DBR نه‌تنها باعث بهبود عملکرد ترمز درایوهای صنعتی می‌شود، بلکه از آسیب‌های احتمالی ناشی از انرژی برگشتی به تجهیزات جلوگیری کرده و ایمنی و کارایی سیستم را افزایش می‌دهد.
2- نحوه عملکرد و محاسبه انرژی توقف در مقاومت ترمز (DBR)
مفهوم انرژی توقف
انرژی توقف (Braking Energy) به انرژی‌ای گفته می‌شود که هنگام کاهش سرعت یا توقف یک سیستم متحرک آزاد می‌شود. این انرژی باید مدیریت و به‌طور مؤثر دفع شود تا از افزایش ولتاژ و آسیب به تجهیزات جلوگیری شود. DBR (Dynamic Braking Resistor) این انرژی را به گرما تبدیل کرده و آن را دفع می‌کند. انرژی و گرما هر دو با واحد ژول (Joule) اندازه‌گیری می‌شوند، اما به دلیل مقادیر بالای انرژی در کاربردهای صنعتی، اغلب از کیلوژول (KJ) یا مگاژول (MJ) استفاده می‌شود. در این فرآیند، محاسبه اندازه صحیح مقاومت ترمز از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا انتخاب نادرست مقدار مقاومت می‌تواند منجر به افزایش بیش از حد دما و کاهش کارایی سیستم شود.
اهمیت دانستن انرژی توقف و فرکانس توقف
برای طراحی یک سیستم ترمز کارآمد، باید از مقدار انرژی آزادشده در هر توقف و فرکانس توقف‌ها مطلع باشیم:
- انرژی در هر توقف: این مقدار اوج قدرت DBR را تعیین می‌کند.
- انرژی در هر توقف + فرکانس توقف: میانگین قدرت DBR را تعیین می‌کند.
نمونه‌هایی از انرژی توقف در کاربردهای صنعتی:
- مردی سوار بر دوچرخۀ در حال توقف: 2KJ
- بالابر با چهار نفر در داخل آن: 25KJ
- توقف ماشین از 50mph: 250KJ
- چرخ طیار با ضخامت 600mm x 300mm، 1500rpm: 375KJ
- 40 کانتینر که بر روی یک کشتی قرار داده شده‌اند: 2MJ
- کامیون واگن باری از 65mph: 15MJ
- قطار زیر زمینی لندن از 50mph: 50MJ
۳. نحوه محاسبه انرژی توقف تبدیل‌شده به DBR
در یک دنیای ایده‌آل، برای محاسبه انرژی توقف تبدیل شده به مقاومت دینامیکی (DBR)، می‌توان از سه نوع انرژی اصلی استفاده کرد:
اما در دنیای واقعی، بسیاری از اطلاعات عملیاتی ناشناخته هستند. یک روش تخمینی برای محاسبه انرژی توقف عبارت است از:
انرژی توقف ≈ انرژی استارت
یا به‌صورت تقریبی:
1- = زمان استارت × توان در طی استارت
2- = زمان استارت × حداکثر توان/2
3- = زمان استارت × توان درایو/2
با اطلاع از انرژی توقف و چرخه عملکرد دستگاه، می‌توان توان متوسط موردنیاز مقاومت را محاسبه کرد.
محاسبه اندازه DBR
برای تعیین مقدار مقاومت دینامیکی، سه عامل مهم را باید در نظر گرفت: انرژی در هر توقف، چرخه کار و مقدار اهمی. دو مورد اول، معمولاً به‌صورت یک متغیر یعنی توان مقاومت ترکیب می‌شوند.
- انرژی در هر توقف
مقدار انرژی‌ای که در هنگام توقف جذب می‌شود. - چرخه کاری
تعداد دفعات و مدت زمان ترمزگیری در هر چرخه. - مقدار اهمی مقاومت
حداقل مقدار اهم توسط سازنده درایو تعیین می‌شود تا قدرت ترمز در حداکثر درجه‌بندی درایو یا ماژول ترمز آن تولید شود.
الف) محاسبه توان مقاومت
توان مقاومت را می‌توان با رابطه زیر محاسبه کرد:
ب) محاسبه مقدار اهمی مقاومت
حداقل مقدار مقاومت از طریق فرمول زیر تعیین می‌شود:
نکات مهم در طراحی DBR:
- ظرفیت حرارتی: در زمان توقف‌های کوتاه و چرخه‌های مکرر، باید ظرفیت حرارتی مقاومت مدنظر قرار گیرد تا از گرم شدن بیش‌ازحد جلوگیری شود.
- انتخاب صحیح مقاومت: استفاده از نرم‌افزارهای مدل‌سازی حرارتی به انتخاب صحیح DBR کمک می‌کند و منجر به کاهش هزینه‌ها می‌شود.
DBR نقش حیاتی در مدیریت انرژی بازگشتی سیستم‌های درایو صنعتی دارد و انتخاب صحیح آن می‌تواند به بهبود عملکرد و افزایش عمر تجهیزات کمک کند. یکی از عوامل کلیدی در این فرآیند، محاسبه اندازه صحیح مقاومت ترمز است، زیرا مقدار نامناسب آن می‌تواند باعث افزایش دما، کاهش بازدهی و حتی آسیب به سیستم شود.
نتیجه‌گیری
مقاومت ترمز (DBR) یکی از اجزای حیاتی در اینورترها و درایوهای DC است که باعث افزایش ایمنی، کاهش فشار روی تجهیزات، و جلوگیری از افزایش بیش‌ازحد ولتاژ لینک DC می‌شود. انتخاب صحیح DBR مستلزم محاسبه اندازه صحیح مقاومت ترمز است که شامل تعیین دقیق ولتاژ، جریان، مقدار اهمی، و توان جذب انرژی می‌شود.
در الکترومارکت، انواع مقاومت‌های ترمز باکیفیت بالا همراه با مشاوره تخصصی برای انتخاب بهترین گزینه در دسترس است. با استفاده از تجهیزات مناسب و انتخاب درست DBR، می‌توانید عملکرد سیستم‌های خود را بهینه کرده و طول عمر تجهیزات صنعتی را افزایش دهید.
برای کسب اطلاعات بیشتر درمورد “مقاومت ترمز اینورتر” و “انتخاب مقاومت ترمز باکیفیت در ایران” به سایت الکترومارکت مراجعه نمایید.
