Năng lượng phải tiêu tán khi giảm tốc, công suất đỉnh, điện trở lớn nhất để hãm kịp và công suất trung bình của điện trở.
Giải thích chi tiết
- Bài toán dùng để làm gì
- Hình dung đơn giản
- Kiến thức nền cần có
- Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu
- Xây dựng công thức từng bước
- Lời giải mẫu từng bước
- Áp dụng thực tế và lưu ý
Bài toán dùng để làm gì
Khi biến tần hoặc servo hãm dừng tải nhanh, động cơ chạy như máy phát và đẩy năng lượng ngược về biến tần, làm điện áp DC tăng và báo lỗi quá áp. Điện trở xả (điện trở hãm) đốt phần năng lượng này thành nhiệt. Bài toán tính năng lượng hãm, công suất đỉnh, giá trị điện trở lớn nhất để hãm kịp và công suất trung bình của điện trở.
Hình dung đơn giản
Hãy tưởng tượng
Xe đang chạy xuống dốc, muốn giảm tốc thì động năng phải đi đâu đó. Phanh xe biến nó thành nhiệt. Với biến tần, động năng quay ngược thành điện; nếu không có chỗ xả thì “nồi” điện áp DC đầy tràn và biến tần ngắt. Điện trở xả là ống xả – biến điện thành nhiệt.
Kiến thức nền cần có
Đọc lại các mục sau ở Chương 0 nếu chưa nắm chắc: 0.11 quay (ω) · 0.12 năng lượng/công suất · 0.13 quán tính · 0.2 đơn vị (J, W, Ω)
Các đại lượng và lấy số liệu ở đâu
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị | Lấy số liệu ở đâu |
|---|---|---|---|
| J | Tổng quán tính quy về trục động cơ (rotor + tải) | kg·m² | Từ TB18, TB19, TB21 hoặc catalogue động cơ |
| n1, n2 | Tốc độ đầu và cuối của quá trình hãm | v/ph | Biểu đồ chuyển động |
| tb | Thời gian hãm (ramp giảm tốc) | s | Cài đặt trong biến tần (deceleration time) |
| Tf | Mô-men ma sát của máy (tự hỗ trợ hãm) | Nm | Ước lượng hoặc đo dòng khi chạy không tải |
| η | Hiệu suất động cơ + biến tần | – | ≈ 0,85–0,9 |
| tc | Thời gian một chu kỳ lặp lại | s | Nhịp sản xuất |
| Udc | Ngưỡng điện áp DC bắt đầu đóng điện trở hãm | V | Manual biến tần: lưới 400 V ≈ 750–780 V; 230 V ≈ 380–400 V |
| Rmin | Điện trở nhỏ nhất cho phép của biến tần | Ω | Manual biến tần Schneider (Altivar), ABB, Siemens, Mitsubishi, Delta, Yaskawa |
Xây dựng công thức từng bước
Công thức tổng quát không “từ trên trời rơi xuống”: nó được ghép từ những công thức con đơn giản. Đi lần lượt từng bước:
Bước 1. Đổi tốc độ ra vận tốc góc
Năng lượng quay tính theo ω (rad/s):
ω = 2π·n/60
Bước 2. Năng lượng hãm
Động năng giảm đi trừ phần ma sát tự hãm, nhân hiệu suất (một phần mất trong động cơ):
E = [½·J·(ω1² − ω2²) − Tf·ωtb·tb]·η
Bước 3. Công suất hãm đỉnh
Đầu quá trình hãm, tốc độ cao nhất nên công suất trả về lớn nhất:
Pđỉnh = (J·Δω/tb − Tf)·ω1·η
Bước 4. Điện trở lớn nhất
Điện trở phải đủ nhỏ để ở điện áp Udc dòng qua nó đốt kịp Pđỉnh (P = U²/R); đồng thời không nhỏ hơn Rmin của biến tần:
Rmin ≤ R ≤ Udc² / Pđỉnh
Bước 5. Công suất trung bình
Năng lượng mỗi lần hãm chia thời gian chu kỳ, dùng để chọn công suất danh định của điện trở:
Ptb = E / tc
Lời giải mẫu từng bước (số liệu mẫu của công cụ tính ở đầu trang)
Bước A – Số liệu đầu vào (ô vàng của công cụ tính). Đây là bộ số ví dụ có sẵn; khi làm thật bạn thay bằng số của mình:
| TT | Đại lượng | Ký hiệu | Giá trị | Đơn vị | Ghi chú / nguồn |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Tổng quán tính quy về động cơ | J | 0,05 | kg·m² | |
| 2 | Tốc độ đầu | n1 | 1 500 | v/ph | |
| 3 | Tốc độ cuối | n2 | 0 | v/ph | |
| 4 | Thời gian hãm | tb | 0,5 | s | |
| 5 | Mô-men ma sát hỗ trợ hãm | Tf | 1 | Nm | |
| 6 | Hiệu suất động cơ + biến tần | η | 0,9 | ||
| 7 | Chu kỳ lặp lại | tc | 10 | s | |
| 8 | Ngưỡng điện áp DC bật hãm | Udc | 760 | V | Biến tần 400 V ≈ 750–780 V; 230 V ≈ 380–400 V |
| 9 | Điện trở nhỏ nhất cho phép của biến tần | Rmin | 40 | Ω | Catalogue |
Bước B – Tính lần lượt (web tự tính, bạn có thể bấm tay để kiểm tra lại). Dòng xanh lá là kết quả chính:
| TT | Đại lượng | Ký hiệu | Kết quả | Đơn vị | Công thức / cách tính |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | ω đầu | w1 | 157,1 | rad/s | |
| 11 | ω cuối | w2 | 0 | rad/s | |
| 12 | Năng lượng hãm | E | 519,8 | J | E = [½J(ω1² − ω2²) − Tf·ω tb·t]·η |
| 13 | Công suất hãm đỉnh | Pp | 2 079 | W | Pđỉnh = (J·Δω/t − Tf)·ω1·η |
| 14 | ĐIỆN TRỞ LỚN NHẤT | Rx | 277,8 | Ω | R ≤ Udc²/Pđỉnh |
| 15 | Rmax ≥ R min của biến tần (có giá trị R chọn được) | Kiểm tra | ĐẠT | ||
| 16 | Công suất trung bình điện trở | Pav | 51,98 | W | Ptb = E/t chu kỳ |
Bước C – Kết luận ví dụ
Kết quả chính: Năng lượng hãm = 519,8 J; ĐIỆN TRỞ LỚN NHẤT = 277,8 Ω; Công suất trung bình điện trở = 51,98 W.
Kiểm tra: Rmax ≥ R min của biến tần (có giá trị R chọn được): ĐẠT.
Nếu đổi số liệu ở ô vàng, mọi kết quả tự tính lại. Ô nào báo KHÔNG ĐẠT thì xem mục Áp dụng thực tế bên dưới để biết cần sửa gì.
Áp dụng thực tế và lưu ý
- Chọn điện trở: giá trị R nằm giữa Rmin và Rmax (gần Rmin hơn cho dư sức), công suất danh định ≥ Ptb và chịu được Pđỉnh trong thời gian hãm (xem đường quá tải catalogue).
- Nhiều hãng cho bảng chọn điện trở theo cỡ biến tần và chu kỳ làm việc ED % (ví dụ 10 % ED); dùng bảng này để đối chiếu.
- Nếu KHÔNG ĐẠT (Rmax < Rmin): biến tần không hãm kịp – tăng thời gian hãm, dùng biến tần cỡ lớn hơn (Rmin nhỏ hơn) hoặc bộ hãm rời (braking unit).
- Điện trở rất nóng (có thể > 200 °C): lắp ngoài tủ hoặc trên nóc tủ, có lưới che và rơ-le nhiệt bảo vệ.
- Nếu hãm rất thường xuyên với công suất lớn, cân nhắc bộ hồi tiếp năng lượng về lưới (regenerative unit) để tiết kiệm điện.