Giải thích chi tiết: Điện trở xả (hãm) cho biến tần / servo

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

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

Hình TB29.2 – Sơ đồ hình thành công thức: số liệu → từng công thức con → kết luận

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

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.